Quạt và hệ thống Quạt

ASHRAE Handbook Fundamentals, Chapter F02: Fluid Flow.

B m Qu t Máy nén, K thu t S y, K thu t i u hòa Không khí)

M C L C

QU T và H TH NG 4

1 L I NÓI U 4

2 CÁC KHÁI NI M VÀ PHÂN LO I QU T 5

2.1 Qu t h ng tr c (HT) 6

2.2 Qu t ly tâm(LT) 8

2.3 Qu t ph i h p (MF,mixed flow, còn d ch là h n l u, h n h p) 10

2.4 Qu t dòng ngang tr c (cross-flow fan ) 11

2.5 Ch n qu t ly tâm hay h ng tr c ? 11

3 CÁC THÔNG S C A QU T và KH O NGHI M QU T 12

3.1 Thông s hình h c 12

3.2 L ng gió (l u l ng không khí) 13

3.3 C t áp (pressure ) 14

3.3.1 Các khái ni m 14

3.3.2 o t nh áp 15

3.3.3 Liên h gi a áp su t tính b ng c t n c h N , và b ng c t không khí h KK 15

3.3.4 Áp k v i b u r ng 16

3.3.5 Áp k v i nhánh nghiêng 16

3.3.6 Ch t l ng khác n c 16

3.4 D ng c đo : ng pitot 17

3.5 Công th c g n đúng đ tính l u l ng gió t đ ng áp 17

3.6 Công su t qu t (power, P, N) 20

3.7 Hi u su t t nh (static efficiency) 20

3.8 Hi u su t c (mechanical efficiency) 20

3.9 Ý ngh a c a hi u su t qu t 21

3.10 n 21

3.11 ng đ c tính qu t (fan performance curves) 22

- NH Tâm 2006 - 2011

3.12 Kh o nghi m qu t 22

3.13 T m quan tr ng c a qu t và kh o nghi m qu t 24

4 T N ÁP C A H TH NG 25

4.1 T n áp trong ng 25

4.2 T n áp c c b 26

4.3 T n áp qua thi t b đ u vào-ra: 28

4.4 T n áp qua sàn l (Henderson, 1943; theo Brooker et.al.) 28

4.5 T n áp qua l p h t 29

5 CÁC NH LU T V QU T 30

6 CH N QU T PHÙ H P V I T N ÁP H TH NG 31

6.1 ng đ c tính qu t – h th ng 31

6.2 Ch n qu t: 33

7 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH TH C CHÍNH C A QU T 36

7.1 T ng quan 36

7.2 Qu t h ng tr c có h ng dòng (vane-axial fan) 36

7.3 Qu t ly tâm cánh nghiêng ho c cong ra sau 38

8 M T S L U Ý KHI L P T QU T 38

8.1 Qu t HT: 38

8.2 Qu t LT 39

9 KH O NGHI M QU T & O V N T C TRONG NG 39

9.1 ng kh o nghi m qu t và v trí đo (JIS B8330) 39

9.2 Tính toán 40

9.2.1 Theo ph ng pháp ng pitot 40

9.2.2 Theo ph ng pháp l 41

10 TÀI LI U THAM KH O 42

QU T và H TH NG

Qu t là m t thi t b c khí đã đ c s d ng r ng rãi trong nhi u l nh v c v i nhi u

ki u d ng khác nhau… nh m v n chuy n không khí t n i này đ n n i khác đáp ng các yêu c u trong sinh ho t th ng ngày, các quá trình ch bi n trong nông - công nghi p; trong các h th ng nung nóng và làm mát, và trong các nhà máy nhi t đi n

Qu t đã đ c s d ng r t nhi u, các thi t b này ho t đ ng đ c là nh thông qua các b truy n đ ng, nh n n ng l ng t các đ ng c n ho c mô t đi n v i công su t t vài Watt đ n vài tr m kWatt, vì v y chi phí n ng l ng c n đ chúng ho t đ ng là không

nh , t i M chi m kho ng 17% trong 80 tri u kWh đi n tiêu th h ng n m trong l nh v c công nghi p (USDOE-2006), do đó, nh m s d ng hi u qu và gi m chi phí n ng l ng tiêu th này c n ph i nâng cao hi u su t c a qu t và v n hành h th ng có s d ng qu t

m t cách h p lý

T lâu đ hoàn thi n các đ c tính c a qu t các Tr ng i h c, Vi n nghiên c u,

Công ty ch t o và các k s thi t k luôn c g ng hoàn thi n qu t đ có hi u su t cao h n

b ng cách s d ng các k thu t-công ngh m i nh t nh các ph n m m thi t k , các v t

li u và công ngh ch t o Ngày nay v i s h tr c a máy tính và các ph n m m mô

ph ng đ ng h c c a l u ch t đã giúp các k s t i u quá các dòng ch y c a không khí trong qu t t đó thi t k nhi u d ng-ki u máy khác nhau v i hi u su t th y l c t t nh t

Tuy nhiên, vi c ch n l a, l p đ t, s d ng và v n hành thi t b h p lý trong m t h

th ng c ng nh h ng r t l n đ n hi u su t c a thi t b này Khi ch n và l p đúng thi t b trong m t h th ng, các qu t này c n đ c v n hành t i đi m ho t đ ng (FOP) g n v i

đi m có hi u su t cao nh t (BEP) c a qu t do v y h th ng ho t đ ng s hi u qu h n, làm

gi m chi phí n ng l ng tiêu th , gi m n và t ng tu i th cho thi t b

Vì v y bài vi t này nh m cung c p cho các sinh viên Khoa C khí Công ngh

tr ng đ i h c Nông Lâm TP HCM, các k s quan tâm, và ng i s d ng v n hành có đ

ki n th c chính v qu t nh c u t o, nguyên lý ho t đ ng, ph m vi s d ng; các thông s hình h c và đ c tính c ng nh các y u t nh h ng và các tính toán c n thi t đ ch n qu t

và v n hành chúng trong m t h th ng t ng ng hi u qu nh t; và các hi u bi t nh m

ki m tra các thông s k thu t d a theo các tiêu chu n qu c t th ng dùng n u c n

Bài vi t nh m ph c v gi ng d y và chia s thông tin, đã s d ng r t nhi u thông tin t kinh nghi m thi t k kh o nghi m l p đ t s d ng qu t trong các h th ng máy c a tác gi , c ng nh t các ngu n tài li u đ c nêu trong ph n tài li u tham kh o, dù đã c

g ng v n có th thi u sót, m i ý ki n đóng góp xin g i v

Th c s Nguy n Hùng Tâm, GVC Khoa C Khí Công ngh , tr ng i h c Nông Lâm TP HCM, email hungtamng@yahoo.comho c hungtamng@hcmuaf.edu.vn, ho c đi n tho i di đ ng s 0913 900 676

- Qu t dòng ngang tr c (cross-flow fan)

Trong đó hai lo i qu t h ng tr c và ly tâm đ c s d ng nhi u nh t trong các h th ng

M t h th ng s d ng qu t có th bao g m nhi u c m chi ti t đ c mô t nh Hình 1

Hình 1: H th ng qu t

C m 1: Qu t v i mô t + truy n đ ng+ b bi n t ng đi u khi n t c đ

C m 2: Thi t b đ u vào: b l c b i, cyclon, b trao đ i nhi t…

C m 3: Thi t b đ u ra: b l c b i, cyclon, ho c các v t li u khác.nh l p h t

C m 4: H th ng đ ng ng: đ ng ng, co, n i chuy n ti p, và các van…

M t h th ng có th có đ các c m k trên ho c m t ph n, vì v y c n n m rõ v h th ng

đ có th s d ng v n hành qu t hi u qu nh t

2.1 Qu t h ng tr c (HT)

Nh tên g i, dòng khí chuy n đ ng song song d c theo h ng tr c qu t, h ng vào song song v i h ng ra N u dùng đi n, rô-to qu t có th đ c l p tr c ti p trên tr c đ ng c

đi n (Hình 2.1) N u dùng đ ng c n , ph i truy n đ ng qua dây đai (Hình 2.2) Th c t ,

dù có đi n, đôi khi v n ph i truy n đ ng gián ti p, vì m t s yêu c u đ c bi t không th đ mô-t đi n trong dòng không khí

Qu t HT có 3 d ng (Hình 2.1):

 Qu t tr c chong chóng (propeller fan): D ng gi ng qu t tr n, không có v (b c) qu t

ho c v qu t r t ng n Dùng cho thông gió chu ng tr i, nhà x ng, có áp su t t o ra

- NH Tâm 2006 - 2011

Hình 2.3: Qu t h ng tr c : (a) qu t tr c chong chóng; (b) qu t tr c có h ng dòng

Hình 2.4: Qu t h ng tr c 2T: (a) qu t VAF-2T; (b) qu t TAF-2T

M t s thông s c a qu t HT (theo Bleier 1998)

2.2 Qu t ly tâm(LT)

Các cánh c a rô-to c a qu t ly tâm đ c gi gi a m t đ và vòng gi đ Rô-to n m trong

v qu t v i chu vi theo d ng xo n c Không khí vào t mi ng hút qua vòng đ , đ c các cánh ly tâm ra v qu t, và theo v thoát c a ra Nh v y, ph ng c a dòng khí vào th ng góc v i ph ng c a dòng khí ra (Hình 3)

(c)

Hình 3 : Qu t ly tâm: (a) hình l p ; (b) rô-to ; (c) hình tháo r i

Nh m đáp ng cho nhi u công d ng khác nhau, qu t ly tâm có nhi u d ng cánh cho rô-to

li t kê nh (Hình 4a) s đ c nh c l i trong ph n ch n qu t

Cánh cong t i FC

(Forward curved,

FC)

Cánh cong lui (Backward curved, BC)

Cánh nghiêng lui (Backward inclined,

BI)

Cánh h ng tâm (Radial blade, RB)

u cánh h ng tâm (Radial tip, RT)

Hình 4a: M t s d ng cánh c a qu t ly tâm:

c/ Qu t cánh cong t i r ng Sirocco (WFC)

Hình 4c: M t s d ng khác c a qu t ly tâm

Plenum fan (Hình 4c) là tr ng h p đ c bi t c a qu t ly tâm không có v ngoài th ng g p trong đi u hòa không khí ho c các kho l nh, máy s y Qu t ly tâm DWDI ho c WFC

th ng dùng v i các yêu c u l u l ng l n

2.3 Qu t ph i h p (MF, mixed flow, còn d ch là h n l u, h n h p)

Là d ng qu t k t h p u đi m c a hai lo i qu t h ng tr c (l u l ng l n ) và ly tâm (áp

su t cao, ít n) Không khí đi vào nh v i qu t h ng tr c, đ c rô-to ly tâm ra v , và theo v thoát c a ra (Hình 5) Khác v i qu t ly tâm, h ng không khí ra trùng v i h ng vào (gi ng qu t h ng tr c) Lo i qu t này đ c s d ng cho m t s yêu c u dung hòa

gi a qu t h ng tr c và qu t ly tâm, ngh a là c l u l ng và áp su t đ u khá cao

Hình 5: Dòng ch y không khí khác nhau gi a qu t h ng tr c (a), và qu t ph i h p (b)

Rô-to c a qu t ph i h p có hai d ng: D ng 1 có vòng gi D ng 2 không vòng gi (Hình 6)

(b)

Hình 6: Qu t ph i h p và rô-to d ng 1 có vòng gi (a); và rô-to d ng 2 (b) không vòng gi

- NH Tâm 2006 - 2011

Rô-to gi ng nh qu t ly tâm, v i cánh cong t i r ng (wide forward curved) Nh ng v

qu t đ c x d c (Hình 7) nên dòng không khí không đ i h ng th ng góc nh qu t ly tâm, mà ch y ngang qua tr c qu t Lo i qu t này đ c s d ng khá nhi u trong đi u hòà không khí; đ c đi m là l u l ng l n, t nh áp th p và ít n, nh ng hi u su t th p

Hình 7: Qu t dòng ngang tr c (cross-flow fan )

2.5 Ch n qu t ly tâm hay h ng tr c ?

ây là v n đ th ng đ c đ t ra nhi u nh t cho h th ng Câu tr l i là tùy l u l ng, áp

su t và s vòng quay V i thi t k đ n gi n và ch t o th công, thì cùng công su t, n u

t nh áp nh h n 500 Pa nh tr ng h p máy s y t nh, qu t h ng tr c cho l ng gió cao

h n, ngh a là nh g n h n mà hi u su t cao h n S d ng qu t ly tâm khi c n áp su t l n

h n 600Pa, ví d máy s y v i l p h t dày h n 2 m, ho c máy s y t ng sôi Hình 8 minh

h a v i các qu t LT có cánh th ng nghiêng lui (BI) và HT 2 t ng cánh có cùng đ ng kính

Ngoài ra, m t s y u t khác c ng nh h ng đ n s l a ch n Giá thành ch t o qu t

h ng tr c r h n qu t ly tâm, góp ph n h chi phí đ u t , ng c l i, qu t h ng tr c gây

ti ng n l n h n qu t ly tâm

thông s c b n, g m các thông s hình h c (kích th c ) và các thông s đ c tính (l u

l ng gío, t nh áp, công su t, hi u su t ) Các ph ng pháp kh o nghi m qu t nh m xác

đ nh đ ng đ c tính mô t m i quan h c a các thông s đ c tính, b ng các d ng c đo

Cánh n n dòng Chi u dài ng vào L1 > 0,2 *Dtr Chi u dài v L2 > 0,7 *Dtr Bán kính loe vào R > 0,26 * Dro

Hình 9: Các thông s hình h c c a qu t h ng tr c

ng kính rô to: D2

ng kính mi ng hút : D1

B r ng rô to: B1, B2Góc đ t cánh : β

B r ng v : B

m v : A Các bán kính

R1, R2, R3, R4 t o v

Hình 10: Các thông s hình h c c a qu t ly tâm

V i qu t HT có cùng đ ng kính Dro, và s vòng quay n: t nh áp c a qu t t ng khi t s

D tr /D rot ng, l u l ng t ng khi t ng góc đ t cánh β, và hi u su t gi m khi khe h đ u cánh

t ng; khe h này càng nh càng t t tuy nhiên b gi i h n ph thu c vào v t li u và công

ngh ch t o Ng c l i v i qu t ly tâm có cùng đ ng kính D2, và s vòng quay n t nh áp

gi m l u l ng t ng khi t s D 1 /D 2 t ng, và t nh áp t ng còn tùy theo d ng cánh và góc nghiêng cánh v phía tr c Khi t ng b r ng rô to l u l ng t ng, t nh áp không đ i

L u l ng (không khí) th tích th ng g i là l u l ng Q là th tích không khí chuy n

đ ng qua qu t trong m t đ n v th i gian n v đo là m3

/s, m3/gi , ho c cfm (ft3

/phút) trong h Anh M c , qui đ i 1000 cfm = 0,47 m3/s ≈ 0,5 m3

/s

1 pascal (1 Pa) = 1 N/m2 ; 1mm H2O = 9,8 Pa ≈ 10 Pa

ng áp (p d , dynamic pressure ) là áp su t c n đ dòng không khí di chuy n đ c v i

v n t c v

ng áp và t nh áp đ c tính xu t phát t ph ng trình Bernoulli t i hai v trí 1 và 2:

2 2 1

1

2 1

2

p g

v Z

g

p g

v

k k

+ρ+

=+

ρ

v i : ρ : dung tr ng không khí ; g : gia t c tr ng tr ng

Z 1 và Z 2 : v trí cao đ c a đi m 1 và đi m 2

G i: T ng áp [m] =

g

p g

v

k

ρ

+2

v g

p g

2 1

22

n v : Áp su t = đo b ng chi u cao c t không khí [ m ]

v = v n t c dòng khí [ m/s ]

ρk = kh i l ng riêng l u ch t, đây là không khí, [ kg/m3

] Suy t công th c này: Khi v n t c gi m, đ ng áp gi m, thì t nh áp t ng

- NH Tâm 2006 - 2011

Công th c t ng đ ng: T ng áp [Pa] = ρv + ρg h

22

b ng nh a trong ho c th y tinh u n thành hình ch U, ch t l ng ch a gi a hai nhánh,

th ng là n c tinh khi t T nh áp trong bu ng th ng cao h n áp su t khí tr i, nên đ y

kh i n c t o đ chênh l ch h gi a hai nhánh (áp su t d ng), và ng c l i n u trong

bu ng có t nh áp th p h n áp su t khí tr i, đ chênh l ch h ng c l i ( áp su t chân

không)

T nh áp, ký hi u ∆p, đ n v = pascal = Pa = N/m2

∆p = ρ g h

o đ c đ chênh c t ch t l ng hL Qui ra c t n c nh sau:

ρL g h L = ρH2O g h H2O , suy ra h H2O = h L γ

Do h L = h H2O / γ > h H2O nên kho ng đ c nh y h n

- NH Tâm 2006 - 2011

ng pitot (Hình 13) d a trên nguyên t c: m t l ng th ng góc v i lu ng gió s đo t ng áp;

l ng song song v i lu ng gió ch đo ph n t nh áp

A-AAA

1527315225

, T

,

* ,

+

+

=ρ

- NH Tâm 2006 - 2011

Gi thi t áp su t trong ng P atm = 101325 Pa i u này có th ch p nh n đ c , vì

101 325 Pa ≈ 10 000 mmH2O; ph n c ng thêm do áp su t t nh trong ông ch kho ng 20- 200 mmH2O là không đáng k Nên:

15273

984352

, T

,

+

=ρ

N u T = 30 oC (ban ngày TP H Chí Minh) : v [ m / ] = 4,10 * H [ mmH2O ]

L u l ng gió là tích s c a v n t c và ti t đi n ng kh o nghi m A:

ngh a là T 0 = 25 oC và p atm0 = 760 mmHg (m t bi n)

Gi i :

L ng gió : V0 = VA ( ví d trên = 3,2 m3

/s )

Tnh áp : t l thu n v i kh i l ng riêng c a không khí,

ngh a là : t l thu n v i áp su t khí quy n P atm , và

t l ngh ch v i nhi t đ tuy t đ i T k v i T k = T + 273,15 [kelvin]

0

0 0

k

kA atmA

atm

T

* p

p

p p =

ví d trên :

) , (

) , (

* p

1527325

1527360630

760400

D nhiên, công su t c n thi t đ th ng áp su t t nh c ng thay đ i theo t l p 0 / p A

Tóm t t : Nhà s n xu t kh o nghi m qu t v i đi u ki n và k t qu : p atmA , T A , VA , p A

và in catalogue v i s li u đi u ki n chu n : p atm0 , T 0 , V 0 , p 0

] O mmH [ p

* ] / m [ Q ]

kW [

≈

• Công su t th c t P tte là công su t do đ ng c c n đ kéo qu t, nh v y bao g m các

hao h t khí đ ng, hao h t do b truy n đ ng t đ ng c đ n qu t, hao h t do b n thân

đ ng c ch y không khách quan, không tính hao h t do b n thân đ ng c , ta

th ng dùng đ ng c đi n đ đo và tr công su t ch y không t i

đ ng nhiên li u m i n m Giá tr hi u su t này càng có ý ngh a h n n a n u dùng qu t cho các h th ng có l u l ng và c t áp l n h n

n c a qu t N oph thu c l u l ng Q và c t áp H có th c l ng theo công th c

N o = 10 log Q + 20 log H [dB(A)]

1 0,5

3.11 ng đ c tính qu t (fan performance curves)

Các quan h gi a các thông s trên (áp su t, hi u su t, công su t, v i l ng gió) th ng

V i ph ng pháp dùng ng pitot, ng i ta dùng b thi t b đo g i là “ ng kh o nghi m

qu t” (Fan test duct), Hình 17 và 18 Các d ng c c n có (Hình 16) là: ng pitot, d ng c

đo áp su t (dùng n c, ho c đi n t ), d ng c đo vòng quay, đo công su t đi n, nhi t k

ng kh o nghi m qu t là m t ng dài, t o lu ng gió n đ nh và m t s c c n gió thay đ i tùy theo m c đi u ch nh Các n c M , c, Nh t đ u có tiêu chu n v thi t b này, ví

d nh tiêu chu n JIS B8330 c a Nh t; ANSI/AMCA 210-99 c a M Th ng ng này có

ti t di n tròn v i ti t di n ng b ng 0,7- 1,3 l n ti t di n mi ng qu t V i đ ng kính ng không nh h n 300 mm, chi u dài t i thi u g p 10 l n đ ng kính ng Khi đ ng kính

ng nh h n 300mm th ng chuy n qua s d ng ph ng pháp đo đ a l (orifice plate)

qu vùng lân c n đi m (BEP) này v phía bên ph i t ng ng v i Q= 17-19 m3

/s@ 70mm H2O v i hi u su t t nh t 50-55% và hi u su t c t 55-60% n c a qu t khá cao> 100dB(A) v t ng ng cho phép ti p xúc lâu dài vì v y c n có bi n pháp gi m n

90-ho c cách ly

Hình 16: Các d ng c đo: ng pitot, d ng c đo đ n, công su t, t nh áp, s vòng quay

Không ai có th b o đ m các thông s c a qu t ch nh thi t k R t ít sách báo v thi t k

qu t v i đ y đ chi ti t N u có thì c ng đ y d y các h s mà k s tha h tùy ch n Dù thi t k đúng, trong ch t o c ng “sai m t ly đi m t d m” Hàn cánh qu t nghiêng ch ch

t i hay lui “chút xíu” có th làm gi m 30 % hi u su t Nh ng không d th y đi u này, vì

c hàn cánh qu t m t góc nào đó v i h ng gió là th y “gió ào ào”, yên tâm!

Vì th có th kh ng đ nh mà không s quá tr n: Kh o nghi m là cách duy nh t đ b o

đ m các thông s đ t yêu c u Ch t o mà không kh o nghi m c ng nh ti n tr c mà không có th c c p ho c palmer Nh ng i mù tìm đ ng D nhiên có khi c ng đi đ n

n i, nh ng bi t bao mò m m! và d nhiên t các k t qu kh o nghi m này có th s d ng vào các h th ng phù h p và hi u qu nh t

- NH Tâm 2006 - 2011

M c đích tính t n áp là đ ch n qu t thích h p T n áp th ng bao g m 4 thành ph n sau: 1/ t n áp trong đ ng ng, 2/ t n áp c c b , 3/ t n áp thi t b đ u vào-ra 4/ t n áp do v t

li u c a các quá trình n u có ( nh b dày l p h t trong s y)

p ong

2

2ρ

31640

, D ,

log f

5127

32

Hình 19: th Moody xác đ nh h s ma sát c a không khí ch y trong ng

ASHRAE 2001 ASHRAE Handbook Fundamentals, Chapter F02: Fluid Flow

Lê Chí Hi p 2001 K thu t đi u hòa không khí: Ch ng 10: Thi t k ng d n không

khí, trang 325- 416 Nxb Khoa h c K thu t, Hà N i