Cánh quạt ly tâm

Hình 1: Các thành phần cơ bản của cánh quạt ly tâm

Một cánh quạt ly tâm là một thiết bị cơ học dùng để di chuyển không khí hoặc các khí khác theo hướng nghiêng so với dòng khí đầu vào. Cánh quạt ly tâm thường có một hệ thống ống dẫn để điều hướng không khí ra theo một hướng cụ thể hoặc thông qua một tản nhiệt; cánh quạt như vậy cũng được gọi là quạt thổi, quạt hâm, hoặc quạt gà (bởi vì nó giống như bánh xe chuột chũi). Các phiên bản nhỏ được sử dụng trong máy tính đôi khi được gọi là quạt bánh quy[^1]. Những quạt này di chuyển không khí từ lỗ hút quay đến lỗ thoát. Thông thường, chúng được sử dụng trong ứng dụng ống dẫn để hút không khí qua ống/ trao đổi nhiệt hoặc đẩy không khí qua các động cơ tương tự[^1].

Cánh quạt ly tâm sử dụng năng lượng động của bánh xe để di chuyển dòng khí, dòng khí này tiếp tục di chuyển ngược lại sức cản tạo ra bởi ống dẫn, van điều chỉnh và các thành phần khác. Cánh quạt ly tâm thay đổi hướng dòng khí từ trục ra xa, đổi hướng dòng khí theo thay đổi này (thường là 90°). Chúng mạnh mẽ, yên tĩnh, đáng tin cậy và có khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau[^2].

Cánh quạt ly tâm, tương tự như các quạt trục, là các thiết bị có khả năng giữ nguyên khối lượng không khí tại cùng một tốc độ quạt cố định, điều này có nghĩa là vận tốc không khí trong hệ thống được cố định, nhưng khối lượng thực tế của không khí lưu thông sẽ thay đổi dựa trên mật độ không khí. Bạn có thể thay đổi mật độ bằng cách thay đổi nhiệt độ không khí đầu vào và đô cao so với mực nước biển, điều này tạo ra sự không phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu một khối lượng không khí nhất định[^3].

So sánh với quạt trục, cánh quạt ly tâm không phải là thiết bị đẩy này và có một số ưu và nhược điểm so với từng loại: cánh quạt ly tâm có hiệu suất cao hơn, trong khi quạt đẩy định lượng có thể có chi phí vốn thấp hơn và có thể đạt được tỷ lệ nén cao hơn[^4][^5][^6][^7][^8]. Cánh quạt ly tâm thường được so sánh với quạt trục trong các ứng dụng dân dụng, công nghiệp và thương mại. Quạt trục thường hoạt động với khối lượng không khí lớn hơn, áp suất tĩnh thấp hơn và hiệu suất cao hơn[^9]. Do đó, quạt trục thường được sử dụng để di chuyển không khí với khối lượng lớn, ví dụ như thông gió kho hàng hoặc phòng chứa, trong khi cánh quạt ly tâm được sử dụng để di chuyển không khí trong các ứng dụng ống dẫn như nhà ở hoặc môi trường văn phòng thông thường[^9].

Cánh quạt ly tâm có hình dạng thùng trống bao gồm một số lượng cánh quạt được gắn xung quanh trục. Như được hiển thị trong hình động, trục quay trên một trục lắp trong ổ bi trong vỏ quạt. Khí khí nhập khẩu từ bên cạnh bánh quạt, quay 90 độ và tăng tốc do lực ly tâm khi đi qua cánh quạt và thoát ra khỏi vỏ quạt[^10].

Lịch sử[^11]

Nguồn gốc sớm nhất của cánh quạt ly tâm được nhắc đến vào năm 1556 bởi Georg Pawer (tiếng Latinh: Georgius Agricola) trong cuốn sách của mình "De Re Metallica", nơi ông cho thấy cách sử dụng các quạt như vậy để thông gió cho các mỏ[^11]. Sau đó, quạt ly tâm dần trở nên ít được sử dụng. Cho đến những thập kỷ đầu của thế kỷ XIX, sự quan tâm đến quạt ly tâm mới trỗi dậy. Năm 1815, Marquis de Chabannes đã đề xuất sử dụng một quạt ly tâm và đã đăng ký bằng sáng chế Anh trong cùng năm[^12]. Năm 1827, Edwin A. Stevens của Bordentown, New Jersey, lắp một quạt để thổi không khí vào lò hơi của tàu hơi North America[^13]. Tương tự, vào năm 1832, kỹ sư người Mỹ gốc Thụy Điển John Ericsson sử dụng một quạt ly tâm như là quạt hâm trên tàu hơi Corsair[^14]. Một quạt ly tâm đã được sáng chế bởi kỹ sư quân sự người Nga Alexander Sablukov vào năm 1832, và đã được sử dụng cả trong ngành công nghiệp nhẹ của Nga (như làm đường) và ở nước ngoài[^15].

Một trong những phát triển quan trọng nhất đối với ngành mỏ là quạt Guibal, được cấp bằng sáng chế tại Bỉ vào năm 1862 bởi kỹ sư Pháp Théophile Guibal. Quạt Guibal có một hộp xoắn xung quanh cánh quạt, cũng như một tấm đệm linh hoạt để điều chỉnh vận tốc thoát, làm cho nó vượt trội hơn so với các thiết kế quạt mở trước đó và dẫn đến khả năng khai thác mỏ ở độ sâu lớn. Các quạt như vậy đã được sử dụng rộng rãi để thông gió mỏ khắp Anh Quốc[^16][^17].

Cấu trúc[^18]

Hình 2: Quạt ly tâm định luồng đến bên ngoài một tòa nhà thông qua ống dẫn. Hình dạng của tinh vòi điều hướng luồng ra sao cho song song với luồng khí đổ vào.

Các bộ phận chính của một quạt ly tâm bao gồm:

1. Bộ khung quạt
2. Bánh quạt
3. Đường dẫn nhập và xuất
4. Trục quay
5. Cơ chế quay
6. Cánh quạt và van
7. Ống dẫn nhập và xuất
8. Lưỡi quạt
9. Vỏ xả quạt

Ngoài ra, còn có thể sử dụng các thành phần khác như vòng bi, couplings, thiết bị khóa bánh quạt, vỏ xả quạt, bản đệm của trục quay v.v...

Cơ chế quay

Cơ chế quay quyết định tốc độ quay của bánh quạt (bánh xe) và mức độ mà tốc độ này có thể biến đổi. Có hai loại cơ chế quay cơ bản.

Trực tiếp

Bánh quạt có thể được kết nối trực tiếp với trục của động cơ điện. Điều này có nghĩa là tốc độ quay của bánh quạt giống với tốc độ quay của động cơ. Cơ chế truyền động trực tiếp là hình thức hiệu quả nhất của cơ chế quay quạt vì không có mất mát trong quá trình chuyển đổi từ tốc độ quay của động cơ sang tốc độ của quạt.

Một số nhà sản xuất điện tử đã sản xuất quạt ly tâm với động cơ rotor bên ngoài (stator ở bên trong), và rotor được gắn trực tiếp lên bánh quạt.

Bằng thắng

Một bộ đai được lắp trên trục của động cơ và trục bánh quạt, và một dây đai truyền năng lượng cơ học từ động cơ đến quạt.

Tốc độ quay của bánh quạt phụ thuộc vào tỷ lệ giữa đường kính của bánh đai của động cơ và đường kính của bánh đai của quạt. Tốc độ quay của bánh quạt trong các quạt dân dụng đã được cố định, trừ khi có trơn trượt của dây đai. Trơn trượt có thể làm giảm tốc độ quay của bánh quạt một vài trăm vòng quay mỗi phút(RPM)[^19]. Dây đai cũng gây ra một công việc bảo trì bổ sung.

Vòng bi

Vòng bi là một phần quan trọng của quạt. Vòng bi đai vòng được sử dụng cho các quạt nhỏ như quạt máy tính, trong khi ứng dụng dân dụng và thương mại lớn hơn sử dụng vòng bi bi. Ứng dụng công nghiệp có thể sử dụng các loại vòng bi đặc biệt như vòng giảm nhiệt có nước cho việc thanh lọc khí nóng[^20]. Nhiều quạt turbo sử dụng hoặc vòng bi không khí hoặc vòng bi từ trường[^21]. Các quạt vòng bi từ trường cung cấp rung động truyền qua ít, levit bi cao tốc, tiêu thụ điện năng thấp, đáng tin cậy cao, hoạt động không dầu và có khả năng chống lại các hạt cặn trong luồng không khí[^22].

Điều chỉnh tốc độ

Tốc độ quạt cho các quạt hiện đại được điều chỉnh thông qua các biến tần tần số trực tiếp kiểm soát tốc độ động cơ, tăng và giảm tốc độ của động cơ để điều chỉnh lưu lượng không khí. Sự di chuyển không khí được điều chỉnh bởi biến tần có mối tương quan không tuyến tính với tốc độ động cơ, và phải được cân bằng riêng cho từng quạt khi lắp đặt. Thông thường, điều này được thực hiện khi cài đặt bằng cách kiểm tra và cân bằng của các nhà thầu có chuyên môn, mặc dù một số hệ thống hiện đại giám sát lưu lượng không khí trực tiếp với các thiết bị gần lỗ thoát và có thể sử dụng thông tin phản hồi này để biến đổi tốc độ của động cơ.

Cách cài đặt quạt cũ hơn sẽ sử dụng các van vào hoặc ra - các tấm kim loại có thể được điều chỉnh mở và đóng trên lỗ thoát của quạt. Khi các tấm van đóng lại, áp lực tăng và lưu lượng không khí từ quạt giảm đi. Điều này ít hiệu quả hơn biến tần, vì biến tần giảm trực tiếp điện năng tiêu thụ bởi động cơ quạt, trong khi các tấm van hoạt động với tốc độ động cơ cố định[^25].

Lưỡi quạt

Bánh xe quạt bao gồm một trục với một số lượng lưỡi quạt được gắn vào. Lưỡi quạt trên trục có thể được sắp xếp theo ba cách khác nhau: cong xa phía trước, cong xa phía sau hoặc hướng tâm[^10].

Cong phía trước

Hình 3(a): Các lưỡi quạt cong hướng về phía trước trong một quạt gia đình

Lưỡi quạt cong hướng về phía trước, như trong hình ảnh 3(a), cong theo hướng quay của bánh quạt. Chúng đặc biệt nhạy cảm với các hạt bụi và thường chỉ được chỉ định cho các ứng dụng không khí sạch như điều hòa không khí[^23]. Quạt cong hướng về phía trước thường được sử dụng trong các ứng dụng có áp suất tĩnh quá cao cho quạt cánh quy hoặc kích thước nhỏ hơn của quạt ly tâm, nhưng đặc tính tiếng ồn của quạt cong mở ra được gây rối cho không gian. Chúng có thể cung cấp lưu lượng không khí thấp hơn với áp suất tĩnh tăng cao hơn so với các quạt trục có lưỡi cong phía sau[^24]. Thông thường được sử dụng trong các đơn vị cuộn quạt. Chúng hiệu quả kém hơn so với quạt cong lùi[^25].

Cong phía sau

Lưỡi quạt cong hướng về phía sau cong ngược lại với hướng quay của bánh quạt[^26]. Quạt nhỏ có thể có lưỡi cong phía sau, thẳng, không cong. Các quạt cỡ lớn hơn có lưỡi cong và cong sau của lưỡi hình dạng giống như một xuyến khí học, nhưng cả hai thiết kế đều cung cấp hiệu suất hoạt động tốt với kỹ thuật xây dựng tương đối kinh tế. Loại quạt này được thiết kế để xử lý dòng khí với mức độ phụ tải hạt thấp đến trung bình[^26]. Quạt cong hướng về phía sau có thể có một phạm vi tốc độ cụ thể cao nhưng thường được sử dụng cho các ứng dụng với tốc độ cụ thể trung bình - áp suất cao như trong các đơn vị xử lý không khí[^26]. Quạt cong hướng về phía sau hiệu quả hơn các quạt lưỡi hướng tâm và cong phía trước, và do đó, trong các ứng dụng có công suất lớn, chúng có thể là một sự thay thế thích hợp cho quạt cánh tròn có giá rẻ hơn[^26].

Hướng tâm thẳng

Lưỡi quạt hướng tâm trực tiếp ra khỏi trung tâm của trục. Lưỡi quạt hướng tâm thẳng thường được sử dụng trong các quy trình vận chuyển vật liệu của hệ thống hút chân không, hệ thống vận chuyển vật liệu pneumatic và các quá trình tương tự[^26].

Nguyên tắc hoạt động

Quạt ly tâm sử dụng sức mạnh ly tâm được cung cấp từ sự quay của bánh quạt để tăng năng lượng động của không khí/gas. Khi bánh quạt quay, các hạt khí gần bánh quạt được ném ra khỏi bánh quạt, sau đó di chuyển vào vỏ quạt. Kết quả là, năng lượng động của khí được đo là áp suất do sự trở lực do vỏ quạt và ống dẫn gây ra. Khí sau đó được định hướng ra cửa thoát qua các ống dẫn. Sau khi khí bị ném ra, áp suất khí trong khu vực ở giữa bánh quạt giảm. Khí từ bên trong bánh quạt chảy vào để cân bằng điều này. Chu kỳ này lặp lại và do đó khí có thể được liên tục chuyển đi[^10].

Bảng 1: Sự khác biệt giữa quạt và bơm

Các hiện tượng mất mát

Quạt ly tâm mất mát hiệu suất ở cả các bộ phận đứng yên và động, làm tăng năng lượng đầu vào cần thiết cho mức độ luồng không khí đã cho[^10].

Đầu vào bánh quạt

Luồng không khí tại ngõ vào và quá trình quay từ hướng trục gây mất mát tại ngõ vào. Mất mát do ma sát và tách lưu của cánh quạt do có sự thay đổi góc tác dụng[^10].

Rò rỉ

Rò rỉ một số lượng không khí và làm gián đoạn lĩnh vực dòng chính[^10].

Bánh xe

Phần dòng chính và sự tiếp xúc của dòng chính từ bánh đến vỏ gây mất mát năng lượng. Mất mát góc cũng xảy ra nếu thiết bị hoạt động vượt quá các điều kiện thiết kế của nó[^10].

Đường vây và vòng đệm

Sự ma sát và tách lưu cũng gây mất mát trong diffuser. Mất mát do tác động gây chéo nếu thiết bị hoạt động vượt quá các điều kiện thiết kế của nó. Dòng chảy từ bánh quạt hoặc diffuser mở rộng trong lỗ xoáy, gây giảm áp suất không khí. Mất mát do ma sát và tách lưu cũng xảy ra do đường vòi xuất[^25].

Mất mát ma trận

Sự cản trên bề mặt sau của đĩa bánh quạt gây ra mất mát ma trận.

Trong văn học

Trong cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "A Canticle for Leibowitz" (1959) của Walter Miller, một hội tu sĩ trong một thế giới hậu tận phủ lấy một bản kế hoạch điện làm "bánh xe chuột" như một hiện vật linh thiêng, mặc dù bối cảnh chúng hiển thị "squirrel" như thế nào.[^28]

Xem thêm

• Quạt trục - Thiết bị được sử dụng để tạo luồng không khí.
• Quạt lồng sóc - Sắp xếp chuyển động không khí.
• Quạt cơ - Thiết bị được sử dụng để tạo luồng không khí.
• Điều kiện nhiệt độ và áp suất chuẩn - Giá trị tham khảo cho nhiệt độ và áp suất.
• Sự thắt khí tức thì ba chiều và sự tương quan trong công nghệ cánh quạt.
• Quạt lông - Các quạt ly tâm lớn được sử dụng để thông gió các mỏ than.
• Turbine gió - Máy chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện.

Tham khảo

[^1]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^2]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^3]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^4]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^5]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^6]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^7]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^8]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^9]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^10]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^11]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^12]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^13]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^14]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^15]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^16]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^17]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^18]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^19]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^20]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^21]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^22]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^23]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^24]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^25]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^26]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^27]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan. [^28]: Wikipedia. (n.d.). Centrifugal fan.