طراحی و تحلیل پیشرفته فن محوری با پروانه ترویدی و بررسی اثر آن بر بهبود عملکرد، کاهش مصرف انرژی و بهینه سازی طراحی ایرکولرهای صنعتی

## طراحی و تحلیل پیشرفته فن محوری با پروانه ترویدی و بررسی اثر آن بر بهبود عملکرد، کاهش مصرف انرژی و بهینه سازی طراحی ایرکولرهای صنعتی

**نویسندگان:**

رضا اشکریان، اشکان گرامی

**با استفاده از تجربیات صنعتی شرکت صنعتی سانتیگراد**

---

## ۱. مقدمه

فن های محوری یکی از اجزای کلیدی در سامانه های تهویه و خنک کاری صنعتی از جمله ایرکولرها محسوب می شوند. عملکرد این فن ها به طور مستقیم بر میزان دبی هوا، فشار استاتیکی، مصرف انرژی الکتریکی، سطح نویز صوتی و در نهایت ابعاد و هزینه ساخت تجهیزات تاثیرگذار است. در طراحی های متداول، استفاده از پره های ساده یا تخت باعث بروز تلفات آیرودینامیکی قابل توجه، به ویژه در ناحیه نوک پره می شود. این تلفات خود را به صورت کاهش راندمان، افزایش توان مصرفی و افزایش نویز نشان می دهند.

پروانه های ترویدی به عنوان یک راهکار مهندسی پیشرفته، با اصلاح هندسه نوک پره و کنترل گردابه های القایی، زمینه بهبود عملکرد فن و در نتیجه بهینه سازی کل سامانه ایرکولر را فراهم می کنند. در این یادداشت، تحلیل آیرودینامیکی فن، انتقال حرارت ایرکولر و اثرات اقتصادی این نوع پروانه به صورت جامع بررسی شده است.

---

## ۲. مدل آیرودینامیکی فن محوری 

### ۲.۱. ضرایب بدون بعد عملکرد فن

برای مقایسه علمی فن ها، از ضرایب بدون بعد استفاده می شود که مستقل از اندازه و سرعت فن هستند.

**ضریب دبی فن:**

```

phi = Q / (N * D^3)

```

که در آن:

Q : دبی حجمی هوا (m³/s)

N : سرعت دورانی فن (rev/s)

D : قطر فن (m)

این ضریب نشان دهنده میزان جریان تولیدی فن نسبت به ابعاد و سرعت آن است.

---

**ضریب فشار فن:**

```

psi = DeltaP / (rho * N^2 * D^2)

```

که در آن:

DeltaP : فشار استاتیکی تولیدی فن (Pa)

rho : چگالی هوا (kg/m³)

در فن های معمولی، با افزایش phi مقدار psi به سرعت کاهش می یابد. اما در فن های دارای پروانه ترویدی، به دلیل کاهش تلفات نوک پره، مقدار psi در بازه وسیع تری از دبی حفظ می شود.

---

### ۲.۲. قوانین تشابه فن ها (Affinity Laws)

قوانین تشابه امکان تحلیل اثر تغییر سرعت و قطر فن را فراهم می کنند:

```

Q ∝ N * D^3

DeltaP ∝ rho * N^2 * D^2

P ∝ rho * N^3 * D^5

```

بر اساس این روابط، اگر بتوان با اصلاح هندسه پره، فشار مورد نیاز را در سرعت کمتر تامین کرد، توان مصرفی به صورت توانی کاهش می یابد که این موضوع در فن های ترویدی به وضوح مشاهده می شود.

---

## ۳. تحلیل ایرفویلی پره فن

هر پره فن را می توان مشابه یک ایرفویل در نظر گرفت که تحت جریان نسبی هوا قرار دارد.

**نیروی لیفت وارد بر پره:**

```

L = 0.5 * rho * V_rel^2 * C_L * A

```

**نیروی درگ وارد بر پره:**

```

D = 0.5 * rho * V_rel^2 * C_D * A

```

که در آن:

V_rel : سرعت نسبی جریان روی پره

C_L : ضریب لیفت ایرفویل

C_D : ضریب درگ ایرفویل

A : سطح موثر پره

در طراحی پره ایده آل، هدف افزایش نسبت زیر است:

```

Efficiency_airfoil ∝ C_L / C_D

```

در پروانه های ترویدی، با کاهش جداشدگی جریان در ناحیه نوک پره، مقدار C_D کاهش یافته و نسبت C_L / C_D افزایش می یابد که مستقیما باعث افزایش راندمان فن می شود.

---

## ۴. توان مصرفی فن و راندمان کل

توان واقعی مصرفی فن از رابطه زیر محاسبه می شود:

```

P = (Q * DeltaP) / eta_total

```

که در آن:

eta_total : راندمان کل فن (آیرودینامیکی + مکانیکی + الکتریکی)

افزایش راندمان آیرودینامیکی فن ترویدی باعث می شود که برای دبی و فشار یکسان، توان مصرفی موتور سه فاز به طور محسوسی کاهش یابد.

---

## ۵. مدل افت فشار و جریان هوا در ایرکولر

هوای عبوری از ایرکولر با افت فشار ناشی از فین ها و لوله ها مواجه است که به صورت زیر مدل می شود:

```

DeltaP_HX = K * 0.5 * rho * V^2

```

که در آن:

K : ضریب افت فشار هندسی مبدل

V : سرعت متوسط هوا

فن ترویدی با فشار استاتیکی بالاتر این امکان را فراهم می کند که یا سرعت هوا افزایش یابد یا سطح مبدل کاهش داده شود.

---

## ۶. تحلیل انتقال حرارت در ایرکولر

**عدد رینولدز جریان هوا:**

```

Re = (rho * V * D_h) / mu

```

**عدد نوسلت:**

```

Nu = C * Re^n * Pr^m

```

**ضریب انتقال حرارت جابجایی:**

```

h = (Nu * k) / D_h

```

افزایش سرعت موثر هوا باعث افزایش Re و در نتیجه افزایش Nu و h می شود. این موضوع مستقیما ظرفیت دفع حرارت ایرکولر را افزایش می دهد یا امکان کاهش سطح فین ها را فراهم می کند.

---

## ۷. مثال عددی حل شده (کاربرد صنعتی)

فرض شود یک ایرکولر به دبی هوای زیر نیاز دارد:

```

Q = 30000 m3/h

DeltaP = 380 Pa

```

**فن معمولی با راندمان 0.62:**

```

P = (30000/3600 * 380) / 0.62 ≈ 5.1 kW

```

**فن ترویدی با راندمان 0.75:**

```

P ≈ 4.2 kW

```

کاهش توان مصرفی حدود 18 درصد است که در بهره برداری بلندمدت تاثیر اقتصادی قابل توجهی دارد.

---

## ۸. بهینه سازی چندهدفه سیستم فن–ایرکولر

مسئله طراحی به صورت زیر قابل تعریف است:

```

Minimize: {Power , Noise , Cost}

Maximize: {Q , DeltaP , eta}

```

پروانه ترویدی باعث بهبود همزمان اهداف فوق شده و جبهه پارتوی طراحی را ارتقا می دهد.

---

## ۹. تحلیل اقتصادی (هزینه کل مالکیت)

```

TCO = C_initial + Sum(C_energy + C_maintenance)

```

کاهش مصرف انرژی سالانه هر فن، در مقیاس صنعتی منجر به کاهش قابل توجه هزینه کل مالکیت ایرکولر می شود.

---

## ۱۰. نتیجه گیری

تحلیل جامع آیرودینامیکی، انتقال حرارت و اقتصادی نشان می دهد که استفاده از پروانه ترویدی آلومینیومی در فن های محوری سه فاز ۱۰۰۰ دور بر دقیقه، راهکاری موثر برای طراحی ایرکولرهایی با راندمان بالاتر، مصرف انرژی کمتر، نویز کمتر، ابعاد کوچک تر و هزینه ساخت پایین تر است. این رویکرد می تواند به عنوان یک مسیر توسعه صنعتی پایدار در سامانه های خنک کاری مورد استفاده قرار گیرد.

---

### مراجع

1. Bleier, F.P., *Fan Handbook*, McGraw-Hill.

2. Blevins, R.D., *Applied Fluid Dynamics Handbook*.

3. اینکروپرا و همکاران، *مبانی انتقال حرارت و جرم*، ترجمه فارسی.