مراوح لأنظمة التهوية المجاري
تتناول هذه الوحدة المراوح الطاردة المركزية والمحورية المستخدمة في أنظمة التهوية الموجّهة وتأخذ في الاعتبار جوانب مختارة، بما في ذلك خصائصها وسماتها التشغيلية.
يُشار عمومًا إلى نوعي المراوح الشائعين المستخدمين في خدمات المباني للأنظمة المجاري باسم مراوح الطرد المركزي والمراوح المحورية - ويشتق الاسم من الاتجاه المُحدد لتدفق الهواء عبر المروحة. وينقسم هذان النوعان إلى عدد من الأنواع الفرعية التي طُوّرت لتوفير خصائص تدفق/ضغط حجمية محددة، بالإضافة إلى خصائص تشغيلية أخرى (بما في ذلك الحجم، والضوضاء، والاهتزاز، وسهولة التنظيف، وسهولة الصيانة، والمتانة).
الجدول 1: بيانات كفاءة ذروة المروحة المنشورة في الولايات المتحدة وأوروبا للمراوح التي يزيد قطرها عن 600 مم
يُدرج الجدول 1 بعضًا من أكثر أنواع المراوح شيوعًا في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، بالإضافة إلى كفاءات ذروة إرشادية جُمعت من بيانات نشرتها مجموعة من المصنّعين الأمريكيين والأوروبيين. إضافةً إلى ذلك، شهدت مروحة "القابس" (وهي في الواقع نوع من مروحة الطرد المركزي) شعبية متزايدة في السنوات الأخيرة.
الشكل 1: منحنيات المروحة العامة. قد تختلف المراوح الحقيقية اختلافًا كبيرًا عن هذه المنحنيات المبسطة.
يوضح الشكل 1 منحنيات المروحة المميزة. هذه منحنيات مُبالغ فيها ومثالية، وقد تختلف المراوح الحقيقية عنها اختلافًا كبيرًا؛ ومع ذلك، فمن المرجح أن تُظهر خصائص مماثلة. يشمل ذلك مناطق عدم الاستقرار الناتجة عن التذبذب، حيث يمكن للمروحة أن تتقلب بين معدلي تدفق محتملين عند نفس الضغط أو نتيجة توقفها (انظر توقف صندوق تدفق الهواء). ينبغي على المصنّعين أيضًا تحديد نطاقات العمل "الآمنة" المُفضّلة في أدبياتهم.
مراوح الطرد المركزي
في مراوح الطرد المركزي، يدخل الهواء إلى الدافع على طول محوره، ثم يُفرَّغ شعاعيًا منه بفعل حركة الطرد المركزي. هذه المراوح قادرة على توليد ضغوط عالية ومعدلات تدفق عالية الحجم. تُغلَّف معظم مراوح الطرد المركزي التقليدية بغلاف حلزوني (كما في الشكل 2) يعمل على توجيه الهواء المتحرك وتحويل الطاقة الحركية إلى ضغط ساكن بكفاءة. لتحريك المزيد من الهواء، يمكن تصميم المروحة بدافع "مزدوج العرض ومزدوج المدخل"، مما يسمح بدخول الهواء من جانبي الغلاف.
الشكل 2: مروحة طرد مركزي في غلاف حلزوني، مع دافع مائل للخلف
هناك أشكال متعددة للشفرات التي تُشكل المكره، وأهمها المنحنية للأمام والخلف. ويحدد شكل الشفرة أداءها وكفاءتها المحتملة وشكل منحنى المروحة المميز. ومن العوامل الأخرى التي تؤثر على كفاءة المروحة عرض عجلة المكره، والمساحة الخالية بين مخروط المدخل والمكره الدوار، والمساحة المستخدمة لتفريغ الهواء من المروحة (ما يُسمى "منطقة الانفجار").
كان هذا النوع من المراوح يُشغَّل تقليديًا بمحرك ذي ترتيب سير وبكرة. ومع ذلك، مع تحسُّن ضوابط السرعة الإلكترونية وتزايد توافر المحركات المُبدَّلة إلكترونيًا (EC أو بدون فرش)، ازداد استخدام أنظمة الدفع المباشر. هذا لا يُزيل فقط أوجه القصور الكامنة في نظام الدفع بالسير (والتي قد تتراوح بين 2% وأكثر من 10%، حسب الصيانة2)، بل يُرجَّح أيضًا أن يُقلِّل الاهتزاز، ويُقلِّل الصيانة (باستخدام محامل أقل ومتطلبات تنظيف أقل)، ويجعل التجميع أكثر إحكامًا.
مراوح الطرد المركزي المنحنية للخلف
تتميز المراوح المنحنية للخلف (أو "المائلة") بشفرات تميل بعيدًا عن اتجاه الدوران. يمكن أن تصل كفاءتها إلى نحو 90% عند استخدام شفرات ذات شكل جناحي، كما هو موضح في الشكل 3، أو مع شفرات عادية ثلاثية الأبعاد، وتقل هذه الكفاءة قليلاً عند استخدام شفرات عادية منحنية، وتقل مرة أخرى عند استخدام شفرات مسطحة بسيطة مائلة للخلف. يخرج الهواء من أطراف المروحة بسرعة منخفضة نسبيًا، مما يجعل خسائر الاحتكاك داخل الغلاف منخفضة، كما أن الضوضاء الناتجة عن الهواء منخفضة أيضًا. قد تتوقف المروحة عند أقصى منحنى التشغيل. توفر المروحة الأعرض نسبيًا أعلى كفاءة، ويمكنها بسهولة استخدام شفرات ذات شكل جناحي أكبر. لن تستفيد المروحة النحيفة كثيرًا من استخدام الشفرات ذات الشكل الجناحي، لذا تميل إلى استخدام شفرات مسطحة. تتميز المراوح المنحنية للخلف بقدرتها على توليد ضغوط عالية مع ضوضاء منخفضة، كما تتميز بخاصية عدم التحميل الزائد، مما يعني أنه مع انخفاض المقاومة في النظام وزيادة معدل التدفق، تقل الطاقة التي يستهلكها المحرك الكهربائي. من المرجح أن يكون تصميم المراوح المنحنية للخلف أكثر متانة وأثقل وزنًا من المروحة المنحنية للأمام الأقل كفاءة. قد تسمح سرعة الهواء البطيئة نسبيًا عبر الشفرات بتراكم الملوثات (مثل الغبار والشحوم).
الشكل 3: توضيح لمروحات الطرد المركزي
مراوح الطرد المركزي المنحنية للأمام
تتميز المراوح المنحنية للأمام بعدد كبير من الشفرات المنحنية للأمام. ولأنها عادةً ما تُنتج ضغوطًا أقل، فهي أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأرخص من المروحة المنحنية للخلف ذات الطاقة المكافئة. كما هو موضح في الشكلين 3 و4، يتضمن هذا النوع من دافعات المروحة أكثر من 20 ريشة، ويمكن تشكيلها ببساطة من صفيحة معدنية واحدة. ويتم الحصول على كفاءات مُحسّنة في الأحجام الأكبر باستخدام شفرات مُشكّلة بشكل فردي. يغادر الهواء أطراف الشفرات بسرعة مماسية عالية، ويجب تحويل هذه الطاقة الحركية إلى ضغط ساكن في الغلاف - وهذا يُقلل من الكفاءة. تُستخدم هذه المراوح عادةً لأحجام هواء منخفضة إلى متوسطة عند ضغط منخفض (عادةً أقل من 1.5 كيلو باسكال)، ولها كفاءة منخفضة نسبيًا تقل عن 70%. يُعد الغلاف الحلزوني مهمًا بشكل خاص لتحقيق أفضل كفاءة، حيث يغادر الهواء أطراف الشفرات بسرعة عالية ويُستخدم لتحويل الطاقة الحركية إلى ضغط ساكن بفعالية. تعمل هذه المراوح بسرعات دوران منخفضة، وبالتالي، تكون مستويات الضوضاء الميكانيكية الناتجة عنها أقل من المراوح ذات السرعات العالية والمنحنية للخلف. تتميز المروحة بقدرة تحميل زائد عند تشغيلها في ظل مقاومة منخفضة للنظام.
الشكل 4: مروحة طرد مركزي منحنية للأمام بمحرك مدمج
لا تُعد هذه المراوح مناسبة في الحالات التي يكون فيها الهواء ملوثًا بشدة بالغبار أو يحمل قطرات من الشحوم المحملة، على سبيل المثال.
الشكل 5: مثال على مروحة قابس تعمل بشكل مباشر مع شفرات منحنية للخلف
مراوح الطرد المركزي ذات الشفرات الشعاعية
تتميز مروحة الطرد المركزي ذات الشفرات الشعاعية بقدرتها على نقل جزيئات الهواء الملوثة تحت ضغوط عالية (حوالي 10 كيلو باسكال)، ولكن عند تشغيلها بسرعات عالية، تُصدر ضوضاء عالية وتقل كفاءتها (أقل من 60%)، ولذلك لا ينبغي استخدامها في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء العامة. كما أنها تعاني من مشكلة زيادة الحمل على الطاقة - فمع انخفاض مقاومة النظام (ربما عن طريق فتح مخمدات التحكم في مستوى الصوت)، سترتفع طاقة المحرك، وقد يتعرض لـ"حمل زائد" حسب حجمه.
مراوح التوصيل
بدلاً من تركيبها في غلاف حلزوني، يمكن استخدام هذه المراوح الطاردة المركزية المصممة خصيصًا مباشرةً في غلاف وحدة معالجة الهواء (أو في أي قناة أو غرفة تجميع)، ومن المرجح أن تكون تكلفتها الأولية أقل من مراوح الطرد المركزي المُغلفة. تُعرف هذه المراوح باسم مراوح "الغرفة التجميعية" أو "السدادة" أو ببساطة مراوح الطرد المركزي "غير المُغلفة"، وتتميز بمساحة أكبر، ولكن على حساب انخفاض كفاءة التشغيل (حيث تُشبه أفضل كفاءاتها كفاءة مراوح الطرد المركزي المنحنية للأمام المُغلفة). تسحب المراوح الهواء عبر مخروط المدخل (كما هو الحال في المروحة المُغلفة)، ثم تُفرغه شعاعيًا حول محيط الغرفة التجميعية بالكامل بزاوية 360 درجة. كما توفر مرونة كبيرة في توصيلات المخرج (من غرفة التجميع)، مما يعني تقليل الحاجة إلى الانحناءات المتجاورة أو الانتقالات الحادة في مجاري الهواء، والتي قد تُزيد بدورها من انخفاض ضغط النظام (وبالتالي زيادة قوة المروحة). يمكن تحسين كفاءة النظام الكلية باستخدام مداخل على شكل جرس للقنوات الخارجة من غرفة التهوية. ومن مزايا مروحة القابس تحسين أدائها الصوتي، الناتج بشكل كبير عن امتصاص الصوت داخل غرفة التهوية وعدم وجود مسارات رؤية مباشرة من الدافع إلى فوهة مجرى الهواء. تعتمد الكفاءة بشكل كبير على موقع المروحة داخل غرفة التهوية وعلاقتها بمخرجها - حيث تُستخدم غرفة التهوية لتحويل الطاقة الحركية في الهواء وبالتالي زيادة الضغط الساكن. ويختلف الأداء بشكل كبير وثبات التشغيل باختلاف نوع الدافع - فقد استُخدمت دوافع التدفق المختلط (التي توفر مزيجًا من التدفق الشعاعي والمحوري) للتغلب على مشاكل التدفق الناتجة عن نمط تدفق الهواء الشعاعي القوي الناتج عن دوافع طرد مركزي بسيطة3.
بالنسبة للوحدات الأصغر حجمًا، غالبًا ما يتم استكمال تصميمها المدمج من خلال استخدام محركات EC قابلة للتحكم بسهولة.
المراوح المحورية
في مراوح التدفق المحوري، يمر الهواء عبر المروحة بمحاذاة محور الدوران (كما هو موضح في المروحة المحورية الأنبوبية البسيطة في الشكل 6) - حيث يتم إنتاج الضغط بواسطة الرفع الديناميكي الهوائي (على غرار جناح الطائرة). تتميز هذه المراوح بصغر حجمها نسبيًا، وانخفاض تكلفتها، ووزنها الخفيف، وهي مناسبة بشكل خاص لتحريك الهواء في ضغوط منخفضة نسبيًا، ولذلك تُستخدم بكثرة في أنظمة الاستخراج حيث تكون انخفاضات الضغط أقل من أنظمة التزويد - حيث يشمل التزويد عادةً انخفاض ضغط جميع مكونات تكييف الهواء في وحدة معالجة الهواء. عندما يغادر الهواء مروحة محورية بسيطة، فإنه يدور بشكل حلزوني بسبب الدوران الذي يحدثه أثناء مروره عبر الدافع - ويمكن تحسين أداء المروحة بشكل كبير عن طريق ريش التوجيه في اتجاه مجرى الهواء لاستعادة الدوامة، كما هو الحال في المروحة المحورية ذات الريش الموضحة في الشكل 7. تتأثر كفاءة المروحة المحورية بشكل الشفرات، والمسافة بين طرفها والغلاف المحيط بها، واستعادة الدوامة. يمكن تعديل زاوية ريش المروحة لتنويع خرجها بكفاءة. وبعكس اتجاه دوران المراوح المحورية، يمكن أيضًا عكس تدفق الهواء، مع أن المروحة مصممة للعمل في الاتجاه الرئيسي.
الشكل 6: مروحة التدفق المحوري الأنبوبية
يحتوي المنحنى المميز للمراوح المحورية على منطقة توقف يمكن أن تجعلها غير مناسبة للأنظمة ذات نطاق واسع من ظروف التشغيل المتغيرة، على الرغم من أنها تتمتع بفائدة خاصية الطاقة غير الزائدة.
الشكل 7: مروحة تدفق محورية ذات ريشة
يمكن أن تكون مراوح المحور الريشية فعالة مثل مراوح الطرد المركزي المنحنية للخلف، وتكون قادرة على إنتاج تدفقات عالية عند ضغوط معقولة (عادة حوالي 2 كيلو باسكال)، على الرغم من أنها من المرجح أن تخلق المزيد من الضوضاء.
مروحة التدفق المختلط هي تطوير للمروحة المحورية، وكما هو موضح في الشكل 8، تتميز بمروحة مخروطية الشكل، حيث يُسحب الهواء شعاعيًا عبر قنوات التمدد، ثم يُمرر محوريًا عبر ريش التوجيه المستقيمة. يُنتج هذا العمل المشترك ضغطًا أعلى بكثير مما هو ممكن باستخدام مراوح التدفق المحوري الأخرى. يمكن أن تكون الكفاءة ومستويات الضوضاء مماثلة لتلك الخاصة بمروحة الطرد المركزي المنحنية للخلف.
الشكل 8: مروحة خطية ذات تدفق مختلط
تركيب المروحة
إن الجهود المبذولة لتوفير حل فعال للمروحة قد تتعرض لتقويض شديد بسبب العلاقة بين المروحة والمسارات المحلية الموصلة للهواء.
وقت النشر: ٧ يناير ٢٠٢٢