مراوح لأنظمة التهوية الموجهة
تتناول هذه الوحدة المراوح الطاردة المركزية والمحورية المستخدمة في أنظمة التهوية الموجهة وتدرس جوانب مختارة، بما في ذلك خصائصها وسماتها التشغيلية.
يُشار إلى نوعي المراوح الشائعين المستخدمين في أنظمة التكييف المركزية في المباني عمومًا باسم المراوح الطاردة المركزية والمراوح المحورية، ويستمد الاسم من اتجاه تدفق الهواء عبر المروحة. وينقسم هذان النوعان بدورهما إلى عدد من الأنواع الفرعية التي طُوّرت لتوفير خصائص تدفق/ضغط محددة، بالإضافة إلى سمات تشغيلية أخرى (بما في ذلك الحجم، والضوضاء، والاهتزاز، وسهولة التنظيف، وسهولة الصيانة، والمتانة).
الجدول 1: بيانات ذروة كفاءة المراوح 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، إلى جانب كفاءات الذروة التقريبية التي جُمعت من بيانات منشورة من قِبل مجموعة من المصنّعين الأمريكيين والأوروبيين. إضافةً إلى ذلك، شهدت مروحة "القابس" (وهي في الواقع نوع من أنواع المراوح الطاردة المركزية) رواجًا متزايدًا في السنوات الأخيرة.
الشكل 1: منحنيات المروحة العامة. قد تختلف المراوح الحقيقية اختلافًا كبيرًا عن هذه المنحنيات المبسطة.
تُظهر الصورة 1 منحنيات أداء المروحة النموذجية. هذه المنحنيات مُبالغ فيها ومثالية، وقد تختلف المراوح الحقيقية عنها؛ ومع ذلك، فمن المرجح أن تُظهر خصائص مماثلة. يشمل ذلك مناطق عدم الاستقرار الناتجة عن التذبذب، حيث يمكن للمروحة أن تنتقل بين معدلي تدفق محتملين عند نفس الضغط أو نتيجة لتوقف المروحة (انظر مربع توقف تدفق الهواء). ينبغي على الشركات المصنعة أيضًا تحديد نطاقات التشغيل "الآمنة" المفضلة في منشوراتها.
المراوح الطاردة المركزية
في المراوح الطاردة المركزية، يدخل الهواء إلى المروحة على طول محورها، ثم يُطرد منها شعاعيًا بفعل الحركة الطاردة المركزية. تتميز هذه المراوح بقدرتها على توليد ضغوط عالية ومعدلات تدفق عالية. تُغلف معظم المراوح الطاردة المركزية التقليدية بغلاف حلزوني (كما في الشكل 2) يعمل على توجيه الهواء المتحرك وتحويل الطاقة الحركية بكفاءة إلى ضغط ثابت. ولتحريك كمية أكبر من الهواء، يمكن تصميم المروحة بمروحة ذات مدخل مزدوج وعرض مضاعف، مما يسمح بدخول الهواء من جانبي الغلاف.
الشكل 2: مروحة طرد مركزي في غلاف حلزوني، مع دافع مائل للخلف
تتعدد أشكال شفرات المروحة، وأهمها الشفرات المنحنية للأمام والشفرات المنحنية للخلف. ويحدد شكل الشفرة أداء المروحة وكفاءتها المحتملة وشكل منحنى دورانها المميز. ومن العوامل الأخرى المؤثرة على كفاءة المروحة: عرض عجلة المروحة، والمسافة الفاصلة بين مخروط المدخل والمروحة الدوارة، ومساحة تصريف الهواء من المروحة (ما يُعرف بـ"منطقة النفث").
كان هذا النوع من المراوح يُدار تقليديًا بمحرك مزود بحزام وبكرة. إلا أنه مع تطور أنظمة التحكم الإلكترونية في السرعة وتزايد توفر المحركات ذات التبديل الإلكتروني (EC أو بدون فرش)، أصبح استخدام أنظمة الدفع المباشر أكثر شيوعًا. وهذا لا يزيل فقط أوجه القصور الكامنة في نظام الدفع بالحزام (والتي قد تتراوح بين 2% وأكثر من 10%، حسب الصيانة)، بل من المرجح أيضًا أن يقلل الاهتزاز، ويخفض تكاليف الصيانة (عدد أقل من المحامل ومتطلبات التنظيف)، ويجعل التصميم أكثر إحكامًا.
مراوح طرد مركزي منحنية للخلف
تتميز المراوح المنحنية للخلف (أو "المائلة") بشفرات تميل بعيدًا عن اتجاه الدوران. ويمكن أن تصل كفاءتها إلى 90% عند استخدام شفرات ذات شكل انسيابي، كما هو موضح في الشكل 3، أو مع شفرات بسيطة ثلاثية الأبعاد، وتقل كفاءتها قليلًا عند استخدام شفرات منحنية بسيطة، وتقل أكثر عند استخدام شفرات مسطحة بسيطة مائلة للخلف. يخرج الهواء من أطراف المروحة بسرعة منخفضة نسبيًا، لذا تكون خسائر الاحتكاك داخل الغلاف منخفضة، وكذلك الضوضاء الناتجة عن الهواء. وقد تتوقف هذه المراوح عند أقصى حدود منحنى التشغيل. توفر المراوح الأعرض نسبيًا أعلى كفاءة، ويمكنها بسهولة استخدام الشفرات ذات الشكل الانسيابي الأكثر سمكًا. أما المراوح النحيفة فلا تستفيد كثيرًا من استخدام الشفرات الانسيابية، لذا يُفضل استخدام الشفرات المسطحة لها. تُعرف المراوح ذات الانحناء العكسي بقدرتها على توليد ضغوط عالية مع ضوضاء منخفضة، كما أنها تتميز بخاصية عدم التحميل الزائد على الطاقة - أي أنه مع انخفاض المقاومة في النظام وزيادة معدل التدفق، تقل الطاقة التي يسحبها المحرك الكهربائي. ومن المرجح أن يكون تصميم المراوح ذات الانحناء العكسي أكثر متانة وأثقل وزنًا من المراوح ذات الانحناء الأمامي الأقل كفاءة. وقد تسمح سرعة الهواء المنخفضة نسبيًا على شفرات المروحة بتراكم الملوثات (مثل الغبار والشحوم).
الشكل 3: رسم توضيحي لمراوح الطرد المركزي
مراوح طرد مركزي منحنية للأمام
تتميز المراوح ذات الشفرات المنحنية للأمام بكثرة شفراتها المنحنية للأمام. ونظرًا لأنها تُنتج عادةً ضغوطًا أقل، فهي أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأقل تكلفة من المراوح ذات الشفرات المنحنية للخلف المكافئة لها. وكما هو موضح في الشكلين 3 و4، يحتوي هذا النوع من المراوح على أكثر من 20 شفرة، قد تكون بسيطة الصنع، كأن تُصنع من صفيحة معدنية واحدة. وتتحسن الكفاءة مع الأحجام الأكبر ذات الشفرات الفردية المصنّعة. يخرج الهواء من أطراف الشفرات بسرعة مماسية عالية، ويجب تحويل هذه الطاقة الحركية إلى ضغط ثابت داخل الغلاف، مما يُقلل من الكفاءة. تُستخدم هذه المراوح عادةً مع أحجام هواء منخفضة إلى متوسطة عند ضغط منخفض (عادةً أقل من 1.5 كيلو باسكال)، وتتميز بكفاءة منخفضة نسبيًا تقل عن 70%. يُعد الغلاف الحلزوني بالغ الأهمية لتحقيق أفضل كفاءة، حيث يخرج الهواء من أطراف الشفرات بسرعة عالية، ويُستخدم لتحويل الطاقة الحركية إلى ضغط ثابت بكفاءة. تعمل هذه المراوح بسرعات دوران منخفضة، وبالتالي تكون مستويات الضوضاء الميكانيكية الناتجة عنها أقل من المراوح المنحنية للخلف ذات السرعة العالية. وتتميز المروحة بقدرة تحمل زائدة عند تشغيلها في ظل مقاومة منخفضة للنظام.
الشكل 4: مروحة طرد مركزي منحنية للأمام بمحرك مدمج
هذه المراوح غير مناسبة في الأماكن التي يكون فيها الهواء ملوثًا بشدة بالغبار أو يحمل قطرات شحوم عالقة، على سبيل المثال.
الشكل 5: مثال على مروحة قابس ذات دفع مباشر بشفرات منحنية للخلف
مراوح طرد مركزي ذات شفرات شعاعية
تتميز المروحة الطاردة المركزية ذات الشفرات الشعاعية بقدرتها على تحريك جزيئات الهواء الملوثة عند ضغوط عالية (تصل إلى 10 كيلو باسكال)، ولكن عند تشغيلها بسرعات عالية، تكون مزعجة للغاية وغير فعالة (أقل من 60%)، لذا لا يُنصح باستخدامها في أنظمة التكييف والتهوية العامة. كما أنها تعاني من مشكلة زيادة الحمل على الطاقة، فمع انخفاض مقاومة النظام (ربما عن طريق فتح صمامات التحكم في التدفق)، تزداد قدرة المحرك، وقد يتعرض للحمل الزائد، وذلك بحسب حجم المحرك.
مراوح كهربائية
بدلاً من تركيبها داخل غلاف حلزوني، يمكن استخدام هذه المراوح الطاردة المركزية المصممة خصيصًا لهذا الغرض مباشرةً في غلاف وحدة معالجة الهواء (أو في أي قناة أو غرفة توزيع)، ومن المرجح أن تكون تكلفتها الأولية أقل من تكلفة المراوح الطاردة المركزية المغلفة. تُعرف هذه المراوح باسم مراوح "غرفة التوزيع" أو "المراوح القابسية" أو ببساطة "المراوح الطاردة المركزية غير المغلفة"، وتوفر بعض المزايا من حيث المساحة، ولكن على حساب انخفاض كفاءة التشغيل (حيث تكون أفضل كفاءة مماثلة لتلك الخاصة بالمراوح الطاردة المركزية المغلفة ذات الانحناء الأمامي). تسحب هذه المراوح الهواء من خلال مخروط المدخل (بنفس طريقة المروحة المغلفة)، ثم تطرد الهواء شعاعيًا حول المحيط الخارجي الكامل للمروحة بزاوية 360 درجة. كما توفر مرونة كبيرة في توصيلات المخرج (من غرفة التوزيع)، مما يعني تقليل الحاجة إلى الانحناءات المتجاورة أو التحولات الحادة في مجاري الهواء، والتي من شأنها أن تزيد من انخفاض ضغط النظام (وبالتالي، طاقة المروحة الإضافية). يمكن تحسين كفاءة النظام الإجمالية باستخدام فتحات على شكل جرس في قنوات الهواء الخارجة من الحيز. من مزايا مروحة القابس تحسين أدائها الصوتي، ويعود ذلك بشكل كبير إلى امتصاص الصوت داخل الحيز وعدم وجود مسارات رؤية مباشرة من المروحة إلى فتحة مجرى الهواء. تعتمد الكفاءة بشكل كبير على موقع المروحة داخل الحيز وعلاقتها بمخرجها - حيث يُستخدم الحيز لتحويل الطاقة الحركية في الهواء وبالتالي زيادة الضغط الساكن. يختلف الأداء واستقرار التشغيل اختلافًا كبيرًا باختلاف نوع المروحة - فقد استُخدمت مراوح التدفق المختلط (التي توفر مزيجًا من التدفق القطري والمحوري) للتغلب على مشاكل التدفق الناتجة عن نمط تدفق الهواء القطري القوي الناتج عن استخدام مراوح الطرد المركزي البسيطة.
أما بالنسبة للوحدات الأصغر حجماً، فغالباً ما يتم استكمال تصميمها المدمج من خلال استخدام محركات EC سهلة التحكم.
مراوح محورية
في مراوح التدفق المحوري، يمر الهواء عبر المروحة بمحاذاة محور الدوران (كما هو موضح في مروحة الأنبوب المحورية البسيطة في الشكل 6)، حيث يتم توليد الضغط بواسطة الرفع الديناميكي الهوائي (على غرار جناح الطائرة). تتميز هذه المراوح بصغر حجمها وانخفاض تكلفتها وخفة وزنها، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتحريك الهواء في ضغوط منخفضة نسبيًا، ولذلك تُستخدم بكثرة في أنظمة السحب حيث يكون انخفاض الضغط أقل من أنظمة التزويد، والتي تشمل عادةً انخفاض الضغط لجميع مكونات تكييف الهواء في وحدة معالجة الهواء. عند خروج الهواء من مروحة محورية بسيطة، يكون في حالة دوامة نتيجة الدوران الذي يكتسبه أثناء مروره عبر المروحة. يمكن تحسين أداء المروحة بشكل ملحوظ باستخدام ريش توجيه في اتجاه التدفق لاستعادة هذه الدوامة، كما هو الحال في مروحة الريش المحورية الموضحة في الشكل 7. تتأثر كفاءة المروحة المحورية بشكل الشفرة، والمسافة بين طرف الشفرة والهيكل المحيط، واستعادة الدوامة. يمكن تعديل زاوية ميل شفرات المروحة لتغيير قوة دفعها بكفاءة. وبعكس دوران المراوح المحورية، يمكن عكس اتجاه تدفق الهواء أيضًا، على الرغم من أن المروحة مصممة للعمل في الاتجاه الرئيسي.
الشكل 6: مروحة أنبوبية ذات تدفق محوري
يحتوي المنحنى المميز للمراوح المحورية على منطقة توقف يمكن أن تجعلها غير مناسبة للأنظمة ذات نطاق واسع من ظروف التشغيل، على الرغم من أنها تتمتع بميزة عدم التحميل الزائد للطاقة.
الشكل 7: مروحة ذات تدفق محوري ريشي
يمكن أن تكون المراوح المحورية ذات الريش بنفس كفاءة المراوح الطاردة المركزية المنحنية للخلف، وهي قادرة على إنتاج تدفقات عالية عند ضغوط معقولة (عادة حوالي 2 كيلو باسكال)، على الرغم من أنها من المحتمل أن تُصدر ضوضاء أكثر.
تُعدّ مروحة التدفق المختلط تطورًا للمروحة المحورية، وكما هو موضح في الشكل 8، فهي مزودة بمروحة مخروطية الشكل، حيث يُسحب الهواء شعاعيًا عبر القنوات المتوسعة، ثم يمر محوريًا عبر ريش التوجيه المستقيمة. يُمكن لهذا العمل المُدمج أن يُنتج ضغطًا أعلى بكثير مما يُمكن تحقيقه باستخدام مراوح التدفق المحوري الأخرى. ويمكن أن تكون كفاءتها ومستويات الضوضاء فيها مُشابهة لتلك الخاصة بمروحة الطرد المركزي ذات المنحنى العكسي.
الشكل 8: مروحة خطية ذات تدفق مختلط
تركيب المروحة
قد تتعرض الجهود المبذولة لتوفير حل فعال للمروحة للتقويض الشديد بسبب العلاقة بين المروحة ومسارات الهواء المحلية الموجهة.
تاريخ النشر: 7 يناير 2022