אופיים של המפוחים הצנטריפוגליים

שלום,

בהמשך לגליון הקודם בו החרבנו בנושא המפוחים הציריים אנו מוסיפים סקיצות ופרטים בנושא המפוחים הצנטריפוגלים.

מבוא-

מפוחים צנטריפוגליים הינן מכונות המחוללות תנועת אוויר בעזרת הכח המנטריפוגלי. מאחר והפלואיד (אוויר/גז/נוזל) הינו בעל משקל, פועל עליו הכח הצנטריפוגלי וככל שקוטר הסיבוב, משקל הגז ומספר הסיבובים גדולים יותר הכח הצנטריפוגלי=המומנט (ההספק) גדולים יותר. סיבובי המאיץ גורמים ליצירת לחץ סטטי (אנרגיה פוטנציאלית) ולחץ דינמי ע"י זריקת" האוויר משיקית (Tangential) לקצוות כפות המאיץ.

תרשים מס' 1 מתאר את מבנה המאיץ הצנטריפוגלי ופעולתו:

סוגי מאיצים צנטריפוגליים:

ניתן לחלק את מבנה המאיצים הצנטריפוגליים לשלושה סוגים וזאת בהתאם למבנה הכפות:

1. מבנה כפות קדימה Forward Curve.
2. מבנה כפות אחורה Backward Inclined.
3. מבנה כפות ישרות Radial Blades.

לכל סוג כפות קיימת גם חלוקת מבנה לפי צורת הכפות בתוך הקבוצה, כגון כפות מוטות אחורה ישר, כפות מוטות אחורה בקו עקום וכו'.

כל סוג של מבנה כפות מאפיין את פעולות המאיץ על האוויר זוית קצה כף המאיץ וקובע את מהירות הקצה (Tip Speed) , והוא מאפיין את היחס בין הלחץ הדינמי (מהירות האוויר) והלחץ הסטטי.

להלך תרשים מס 3:

תרשים זה מתאר את סוגי הכפות ואת הוקטורים של מהירות היציאה, וקטור V1 מתאר את המהירות המשיקית, וקטור V2 מתאר את המהירות הרדיאלית (המהירות הניצבת) = למהירות בין כפות המאיץ רדיאלית.

וקטור R הינו סכום הווקטורים.

ניתן לראות בבירור שווקטור R גדול ביותר במאיצים עם כפות קדימה, גודלו בינוני במבנה כפות רדיאליות והקטן ביותר הינו במבנה כפות אחורה.                                                                יחסים אלו מתוארים מאוד יפה בגרף מס' 4 המראה את היחסים בין המהירות המשיקית והלחץ הסטטי לסוגי הכפות השונות, מיחסים אלו אנו למדים שמפוחי כפות קדימה "מעדיפים" ספיקה גדולה על הלחץ בשעה שמפוחי כפות אחורה "מעדיפים" לחץ על ספיקה ואילו מפוחי ישרות יחסם ללחץ ולספיקה שווה.

מפוחי כפות קדימה –Forward Curve                                                                                מפוחים אלו נקראים גם מפוחי "נפח אוויר" או מפוחי "כלוב סנאי" או מפוחי "סירוקו"- Volume Fan, Squirrel Cage, Sirocco. שמות אלו הינן שמות היסטוריים.

במבנה זה של כפות קמורות כאשר הצד הקמור פונה לכיוון הסיבוב, מפוחים אלו פועלים במספר סיבובים ולחץ נמוכים יחסית וספיקות גבוהות וזאת במבנה מפוח עם תפוסת נפח קטנה יחסית. מפוחים אלו מתאימים להולכת כמות אוויר גדולה כנגד לחצים נמוכים עד 80-50 מ"מ עומד מים, אבל עדיף שלא לעבור את ה-80 מ"מ.                                                                                     בחירת נקודת עבודה בעקומת לחץ/ספיקה- באיזור ההזדקרות (Stall) משמאל ללחץ המקסימלי עלולה לגרום לכך שפעולת המפוח תהיה בלתי יציבה ותפעל "בפעימות" וזאת עד חשש להרס המאיץ מאחר ולמפוח יהיה "קשה להחליט" באיזה נקודת עבודה הוא פועל בלחץ קבוע "ויקפוץ" מנקודת ספיקה אחת לשניה. יש לפעול במפוחים אלו באיזור 45%-50% "מהזרימה החופשית"                (Free Delivery), אפילו על חשבון ניצולת המפוח.

במקרה של בחירת 2 מפוחים זהים הפועלים במקביל יש לבחור נקודת עבודה שלא תהיה פחות מ-55%"מהזרימה החופשית" (Free Delivery) וזאת כדי להתרחק מהאיזור הבעייתי מאחר וכאשר יופעל מפוח אחד ראשון הוא "יקפוץ" ימינה לעבודה בספיקה גבוהה בלחץ נמוך והמצטרף אליו "יקפוץ" שמאלה ללחץ גבוה בספיקה נמוכה והמערכת תכנס לאיזור ההזדקרות (Stall).         היתרונות של מפוחי כפות קדימה בינה עבודה במהירויות נמוכות ופעולה שקטה, המבנה הקל מאפשר עלויות ייצור נמוכות ומבנה קטן בנפח לעבודה בספיקות גבוהות בלחץ נמוך. מפוחים אלו בשימוש נרחב ביחידות מיזוג אוויר מסחריות.                                                                           החיסרון של מפוחים אלו הינה בעלות צריכת הספק גבוה בירידה בלחץ מנקודת הערובה המתוכננת- במבנה הקל אינו מאפשר לנצל מפוחים אלו בתעשייה, הם מיועדים לשינוע אוויר בלבד, שימוש לשינוע חומרים מכל סוג שהוא אינו אפשרי.                                                                        מפוחי כפות קדימה יכולים לפעול רק בתוך בית מפוח בפעולה חשיפה הם לא יציבים.

מפוחי כפות אחורה- Backward Inclined

מפוחים אלו נקראים גם גובלי עומס או מפוחים ללא חשש לעומס יתר (Non Over Loading), מאיצים אלו במבנה כבד יותר ממפוחי כפות קדימה עם מספר כפות קטן יחסית, מקובל בין 8 ל- 12 כפות.  הכפות מוטות אחורה מכיוון הסיבוב (הפוך מכפות קדימה).                                                 מפוחים אלו מסופקים ב-3 סוגי כפות:

1. כפות ישרות אחורה- Flat Single Thickness.
2. כפות עקומות אחורה- Curved Single Thickness.
3. כפות במבנה כנף- Curved Airfoil.

להלן תרשים מס' 6 המתאר את הנאמר לעיל:

מפוחי כפות אחורה משמשים לספיקות בינוניות ונמוכות בלחצים גבוהים יחסית הנעים בין 500 מ"מ מים ועד 1000 מ"מ.                                                                                                    מקובל להפעיל מפוחים אלו בתחום בין 40%- ל85% מה "אספקה החופשית"                                                  (Free Delivery), ראה גרף מס' 7:

למפוחים אלו אזור ה- Stall  אינו עמוק ואינו מהווה בעיה מיוחדת של אי יציבות, מומלץ אמנם לבחור נקודת עבודה מימין למקסימום, המיוחד "והיפה" במפוחים אלו הוא שסכנת עומס יתר קטנה ביותר.

עקומת ההספק מצביעה על כך שמקסימום ההספק הנדרש הינו קרוב לעבודת הנצילות המקסימלית. משני צידי מקסימום ההספק הנצרך "נופלת" צריכה הזרם, בחירת מנוע שיתאים למקסימום צריכה הזרם לעולם לא "ייכנס" לעומס יתר.                                                                                  מפוחים אלו הינם בעלי ניצולת גבוהה בסביבות ה- 80% במאיצים עם כפות איירפויל ניתן לשפר את הניצולת עד ניצולת של כ- 90%.                                                                                        מפוחי כפות אחורה מופעלים בד"כ במספר סיבובים גבוה גם באיזור ה- 3,000 סל"ד ויותר.          פעולתם במהירויות גבוהות ולחצים גבוהים מביאה לבנייתם במבנה כבד ויקר ביחס למפוחי כפות קדימה. מבנה מאיצים אלו במבנה כפות ישרות ושטוחות "דוחות" חומרים ועקב כך מאפשר שימושם בשינוע אבק, גרעינים וחלקיקים קטנים, מפוחים אלו מנוצלים במיוחד בשוק התעשייתי.               המבנה הגיאומטרי של כפות אחורה מייצרות בעת הסיבוב יותר לחץ סטטי ופחות (יחסית) אנרגיה דינמית.

מבנה כפות אחורה כאמור מייצר אנרגיה סטטית והמעבר מאנרגיה דינמית                               (לחץ דינמי Velocity Pressure) לאנרגיה פוטנציאלית (לחץ סטטי Static Pressure)                    בתוך בית המפוח, מכאן נובע שמאיצים אלו ניתנים לניצול במפוחים ללא בית (Plug Fan).

מפוחי כפות ישרות- Radial Blade Fan

מפוחי כפות ישרות נקראים גם מפוחי משוטים (Paddle Wheel ), מפוחים אלו בד"כ במבנה כבד וברוחב צר יחסית לקוטר מאשר מפוחי כפות קדימה ואפילו מפוחי כפות אחורה.                       מאיצים כפות ישרות בנויים בד"כ מ-6 עד 12 כפות ישרות ברוחב אחיד, מאיצים אלו במבנה פשוט יחסית במרחב גדול בין הכפות, דבר המאפיין אותם בשימוש לשינוע חומרים שנוטים "להידבק" למאיצים.

קבוצת מפוחי כפות רדיאליות כוללת בתוכה מספר מבני מאיצים כאשר המשותף ביניהם הינו שאם נבחר קו דמיוני בין הקצה החיצוני של הכף ובין מרכז המאיץ המשיק לעיגול בנקודה זאת יהיה ניצב למיתר הדמיוני.

מפוחי כפות רדיאליות נבחרים במיוחד לשימוש כאשר נדרש לחץ גבוה וספיקה גבוהה.            כאמור מקודם, במבנה מפוח זה אין העדפה לספיקה על הלחץ כפי שיש במפוחי כפות קדימה ולהיפך, העדפת הלחץ על הספיקה במפוחי כפות אחורה.                                                           גרף מס' 9, אנו רואים את אופיין הפעולה של מפוחים אלו כאשר ההמלצה לנקודת העבודה בין 35% ל-80% "מהאספקה החופשית".

במפוחי כפות רדיאליות לא קיימת סכנת האי יציבות בתופעת ההזדקרות- תופעה זאת במפוחים אלו ניתן לאמר בדיוק רב שאינה קיימת.                                                                                    מפוחים אלו משמשים כאמור לשינוע חומרים והמבנה הפשוט של המאיץ מוזיל את הוצאות הייצור שלהם.

החסרונות של מפוחי כפות ישרות הינם:

• יצרני רעש גדול יחסית.
• כפי שנראה מעקומת ההספק בגרף לחץ/ספיקה הגזמה בבחירת הלחץ הסטטי או הפעלת המפוח בלחץ נמוך מהמתוכנן גורמים לעליה מהירה בצריכת הזרם, כך שיש להיזהר בתכנון נקודת העבודה.
• נצילות מפוחים אלו נמוכה יחסית למפוחי כפות אחורה ואפילו ממפוחי כפות קדימה.
• בחירת מפוחים מסוג זה לפעולה בספיקות גבוהות דורשת מבנה בתפוסת נפח גדולה משמעותית בהשוואה למפוחי כפות קדימה. לסיכום מפוחי כפות ישרות משמשים בעיקר בשוק התעשייתי לשינוע חומרים וגזים בלחצים גבוהים יחסית, בד"כ מומלץ להניע את המפוחים הגדולים בהנעת רצועות כדי לבלום את העומסים "ומכות" אוויר שיוצרים מפוחים אלו.

סיכום-

נגענו בקצה המזלג באופיין סוגי מפוחים ואנו מקווים שסיפקנו כלים כלליים להכנה עקרונית של סוגי מפוחים אלו ונשמח להענות לתגובות ולשאלות.