พัดลมสำหรับระบบระบายอากาศแบบท่อ
โมดูลนี้จะพิจารณาพัดลมแบบแรงเหวี่ยงและแบบแกนที่ใช้ในระบบระบายอากาศแบบท่อ และพิจารณาถึงด้านที่เลือก รวมถึงคุณลักษณะและคุณลักษณะการทำงานของพัดลมเหล่านี้
พัดลมสองประเภทที่นิยมใช้กันทั่วไปในระบบท่อส่งลม ได้แก่ พัดลมแบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางและพัดลมแบบแกน ซึ่งชื่อนี้มาจากทิศทางการไหลของอากาศที่ผ่านพัดลม พัดลมทั้งสองประเภทนี้ยังแบ่งออกเป็นประเภทย่อยๆ อีกหลายแบบที่ได้รับการพัฒนาเพื่อให้มีคุณสมบัติการไหล/แรงดันตามปริมาตรที่เฉพาะเจาะจง รวมถึงคุณสมบัติการใช้งานอื่นๆ (เช่น ขนาด เสียง การสั่นสะเทือน ความสามารถในการทำความสะอาด การบำรุงรักษา และความทนทาน)
ตารางที่ 1: ข้อมูลประสิทธิภาพพัดลมสูงสุดที่เผยแพร่ในสหรัฐอเมริกาและยุโรปสำหรับพัดลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง >600 มม.
พัดลมประเภทต่างๆ ที่พบบ่อยในระบบ HVAC แสดงอยู่ในตารางที่ 1 พร้อมด้วยประสิทธิภาพสูงสุดที่บ่งชี้ ซึ่งรวบรวมจากข้อมูลที่เผยแพร่โดยผู้ผลิตหลายรายทั้งในสหรัฐอเมริกาและยุโรป นอกจากนี้ พัดลมแบบ 'ปลั๊ก' (ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นพัดลมแบบแรงเหวี่ยง) ก็ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
รูปที่ 1: กราฟพัดลมทั่วไป พัดลมจริงอาจแตกต่างจากกราฟแบบง่ายเหล่านี้อย่างมาก
กราฟแสดงลักษณะเฉพาะของพัดลมแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งเป็นกราฟที่เกินจริงและสร้างขึ้นในอุดมคติ และพัดลมจริงอาจแตกต่างจากกราฟเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม กราฟเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะแสดงลักษณะที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งรวมถึงส่วนที่ไม่เสถียรซึ่งเกิดจากการไล่ลม (hunt) ซึ่งพัดลมอาจเปลี่ยนอัตราการไหลของอากาศระหว่างสองอัตราที่เป็นไปได้ที่ความดันเดียวกัน หรือเป็นผลมาจากการหยุดทำงานของพัดลม (ดูหัวข้อ การหยุดทำงานของกล่องควบคุมการไหลของอากาศ) ผู้ผลิตควรระบุช่วงการทำงานที่ 'ปลอดภัย' ที่ต้องการไว้ในเอกสารประกอบด้วย
พัดลมแบบแรงเหวี่ยง
พัดลมแบบแรงเหวี่ยง อากาศจะเข้าสู่ใบพัดตามแนวแกน จากนั้นจะถูกระบายออกจากใบพัดในแนวรัศมีด้วยการเคลื่อนที่แบบแรงเหวี่ยง พัดลมเหล่านี้สามารถสร้างทั้งแรงดันสูงและอัตราการไหลปริมาณสูงได้ พัดลมแบบแรงเหวี่ยงแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในตัวเรือนแบบสกรอลล์ (ดังรูปที่ 2) ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของอากาศและแปลงพลังงานจลน์เป็นแรงดันสถิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้สามารถเคลื่อนย้ายอากาศได้มากขึ้น พัดลมสามารถออกแบบให้มีใบพัดแบบ "double width double inlet" ซึ่งช่วยให้อากาศสามารถไหลเข้าได้ทั้งสองด้านของตัวเรือน
รูปที่ 2: พัดลมแบบแรงเหวี่ยงในตัวเรือนแบบสโครลพร้อมใบพัดที่เอียงไปข้างหลัง
ใบพัดมีหลายรูปทรง โดยหลักๆ แล้วคือแบบโค้งไปข้างหน้าและแบบโค้งไปข้างหลัง รูปทรงของใบพัดจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ และรูปร่างของเส้นโค้งพัดลม ปัจจัยอื่นๆ ที่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของพัดลม ได้แก่ ความกว้างของใบพัด ช่องว่างระหว่างกรวยทางเข้าและใบพัดหมุน และพื้นที่ที่ใช้ในการระบายอากาศออกจากพัดลม (หรือที่เรียกว่า 'พื้นที่พ่นลม')
พัดลมประเภทนี้โดยทั่วไปขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ที่มีสายพานและรอก อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาระบบควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์และมอเตอร์แบบสับเปลี่ยนอิเล็กทรอนิกส์ ('EC' หรือแบบไร้แปรงถ่าน) ที่มีมากขึ้น ระบบขับเคลื่อนโดยตรงจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น วิธีนี้ไม่เพียงแต่ขจัดปัญหาประสิทธิภาพที่มักพบในระบบขับเคลื่อนด้วยสายพาน (ซึ่งอาจมีตั้งแต่ 2% ถึงมากกว่า 10% ขึ้นอยู่กับการบำรุงรักษา2) เท่านั้น แต่ยังช่วยลดการสั่นสะเทือน ลดการบำรุงรักษา (ใช้ลูกปืนและทำความสะอาดน้อยลง) และทำให้ชุดประกอบมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น
พัดลมหอยโข่งแบบโค้งกลับ
พัดลมแบบโค้งกลับ (หรือ 'เอียง') มีลักษณะเด่นคือใบพัดที่เอียงออกจากทิศทางการหมุน ใบพัดเหล่านี้สามารถมีประสิทธิภาพได้ถึง 90% เมื่อใช้ใบพัดแบบแอโรฟอยล์ ดังแสดงในรูปที่ 3 หรือเมื่อใช้ใบพัดแบบเรียบที่มีรูปทรงสามมิติ และจะมีประสิทธิภาพลดลงเล็กน้อยเมื่อใช้ใบพัดแบบโค้งธรรมดา และจะมีประสิทธิภาพลดลงอีกครั้งเมื่อใช้ใบพัดแบบแผ่นเรียบที่เอียงกลับ ลมจะออกจากปลายใบพัดด้วยความเร็วที่ค่อนข้างต่ำ ส่งผลให้การสูญเสียแรงเสียดทานภายในตัวเรือนต่ำ และเสียงที่เกิดจากลมก็ต่ำเช่นกัน พัดลมอาจหยุดทำงานเมื่อถึงจุดสูงสุดของเส้นโค้งการทำงาน ใบพัดที่ค่อนข้างกว้างจะให้ประสิทธิภาพสูงสุด และสามารถใช้ใบพัดแบบแอโรฟอยล์ที่มีรูปทรงที่ใหญ่กว่าได้ ใบพัดแบบบางจะไม่ค่อยมีประโยชน์จากการใช้แอโรฟอยล์ จึงมักใช้ใบพัดแบบแผ่นแบน พัดลมแบบโค้งกลับโดดเด่นเป็นพิเศษในด้านความสามารถในการสร้างแรงดันสูง เสียงรบกวนต่ำ และมีคุณสมบัติด้านกำลังไฟฟ้าที่ไม่โอเวอร์โหลด ซึ่งหมายความว่าเมื่อความต้านทานในระบบลดลงและอัตราการไหลเพิ่มขึ้น กำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์ไฟฟ้าดึงจะลดลง โครงสร้างของพัดลมแบบโค้งกลับน่าจะมีความแข็งแรงทนทานและค่อนข้างหนักกว่าพัดลมแบบโค้งหน้าที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า ความเร็วลมที่ค่อนข้างช้าของอากาศที่พัดผ่านใบพัดอาจทำให้เกิดการสะสมของสารปนเปื้อน (เช่น ฝุ่นและไขมัน)
รูปที่ 3: ภาพประกอบใบพัดพัดลมแบบแรงเหวี่ยง
พัดลมหอยโข่งโค้งไปข้างหน้า
พัดลมแบบโค้งไปข้างหน้ามีลักษณะเด่นคือมีใบพัดโค้งไปข้างหน้าจำนวนมาก เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วพัดลมประเภทนี้จะสร้างแรงดันที่ต่ำกว่า จึงมีขนาดเล็กกว่า เบากว่า และราคาถูกกว่าพัดลมแบบโค้งไปข้างหลังที่มีกำลังเทียบเท่ากัน ดังแสดงในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 ใบพัดของพัดลมประเภทนี้จะมีใบพัดมากกว่า 20 ใบ ซึ่งสามารถทำได้ง่ายเหมือนการขึ้นรูปจากแผ่นโลหะแผ่นเดียว ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นจะเกิดขึ้นเมื่อใบพัดมีขนาดใหญ่ขึ้นด้วยใบพัดที่ขึ้นรูปแต่ละใบ อากาศจะออกจากปลายใบพัดด้วยความเร็วเชิงสัมผัสที่สูง และพลังงานจลน์นี้จะต้องถูกแปลงเป็นแรงดันสถิตภายในตัวเรือน ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลง โดยทั่วไปแล้ว พัดลมประเภทนี้จะใช้กับปริมาณอากาศต่ำถึงปานกลางที่แรงดันต่ำ (ปกติน้อยกว่า 1.5 กิโลปาสกาล) และมีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำที่ต่ำกว่า 70% ตัวเรือนแบบสโครลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพสูงสุด เนื่องจากอากาศจะออกจากปลายใบพัดด้วยความเร็วสูง และถูกใช้เพื่อแปลงพลังงานจลน์เป็นแรงดันสถิตอย่างมีประสิทธิภาพ พัดลมเหล่านี้ทำงานด้วยความเร็วรอบต่ำ ดังนั้น ระดับเสียงรบกวนที่เกิดจากกลไกจึงมักจะน้อยกว่าพัดลมแบบโค้งกลับที่มีความเร็วสูงกว่า พัดลมมีคุณสมบัติรับภาระไฟฟ้าเกินเมื่อทำงานภายใต้ความต้านทานของระบบต่ำ
รูปที่ 4: พัดลมหอยโข่งแบบโค้งไปข้างหน้าพร้อมมอเตอร์ในตัว
พัดลมเหล่านี้ไม่เหมาะกับพื้นที่ที่มีฝุ่นละอองปนเปื้อนจำนวนมากหรือมีละอองไขมันฟุ้งกระจาย
รูปที่ 5: ตัวอย่างพัดลมปลั๊กขับเคลื่อนตรงที่มีใบพัดโค้งไปด้านหลัง
พัดลมหอยโข่งใบพัดเรเดียล
พัดลมแบบแรงเหวี่ยงใบพัดแบบเรเดียลมีข้อดีคือสามารถเคลื่อนย้ายอนุภาคในอากาศที่ปนเปื้อนได้และที่ความดันสูง (ประมาณ 10 กิโลปาสกาล) แต่เมื่อทำงานด้วยความเร็วสูงจะมีเสียงดังและประสิทธิภาพต่ำ (น้อยกว่า 60%) ดังนั้นจึงไม่ควรนำไปใช้งานกับระบบ HVAC ทั่วไป นอกจากนี้ พัดลมยังมีคุณสมบัติการโอเวอร์โหลดพลังงาน กล่าวคือ เมื่อความต้านทานของระบบลดลง (อาจเกิดจากการเปิดแดมเปอร์ควบคุมปริมาตร) กำลังมอเตอร์จะเพิ่มขึ้น และอาจเกิดการโอเวอร์โหลดได้ ขึ้นอยู่กับขนาดของมอเตอร์
พัดลมปลั๊ก
แทนที่จะติดตั้งในตัวเรือนแบบสโครล ใบพัดแบบแรงเหวี่ยงที่ออกแบบมาเฉพาะนี้สามารถใช้งานได้โดยตรงในตัวเรือนของชุดจัดการอากาศ (หรือในท่อหรือห้องลมใดๆ) และต้นทุนเริ่มต้นน่าจะต่ำกว่าพัดลมแบบแรงเหวี่ยงที่มีตัวเรือน พัดลมแบบแรงเหวี่ยงเหล่านี้รู้จักกันในชื่อ 'plenum', 'plug' หรือเรียกสั้นๆ ว่า 'unhoused' อาจมีข้อได้เปรียบด้านพื้นที่บ้าง แต่ก็ต้องแลกมาด้วยประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลง (โดยประสิทธิภาพที่ดีที่สุดจะใกล้เคียงกับพัดลมแบบแรงเหวี่ยงที่มีตัวเรือนโค้งไปข้างหน้า) พัดลมจะดูดอากาศเข้าทางกรวยทางเข้า (เช่นเดียวกับพัดลมที่มีตัวเรือน) จากนั้นจะปล่อยอากาศออกในแนวรัศมีรอบวงรอบนอก 360 องศาของใบพัด พัดลมเหล่านี้มีความยืดหยุ่นสูงในการต่อท่อออก (จากห้องลม) ซึ่งหมายความว่าอาจไม่จำเป็นต้องต่อท่อโค้งหรือเปลี่ยนทิศทางอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเพิ่มแรงดันตกคร่อมของระบบ (และส่งผลให้กำลังของพัดลมเพิ่มขึ้น) ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบอาจดีขึ้นได้โดยใช้ช่องลมแบบปากระฆัง (bell mouth entry) เข้าไปยังท่อที่ออกจากห้องลม (plenum) ข้อดีอย่างหนึ่งของพัดลมแบบปลั๊ก (plug fan) คือประสิทธิภาพทางเสียงที่ดีขึ้น ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการดูดซับเสียงภายในห้องลม (plenum) และการไม่มีเส้นทาง “มองเห็นโดยตรง” จากใบพัดไปยังปากท่อลม ประสิทธิภาพจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของพัดลมภายในห้องลม (plenum) และความสัมพันธ์ระหว่างพัดลมกับทางออกของพัดลม โดยห้องลมจะถูกใช้เพื่อแปลงพลังงานจลน์ในอากาศและเพิ่มแรงดันสถิตย์ ประสิทธิภาพและเสถียรภาพการทำงานที่แตกต่างกันอย่างมากจะขึ้นอยู่กับประเภทของใบพัด ใบพัดแบบผสม (mixed flow) (ที่ให้การไหลแบบรัศมีและแบบแกน) ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ปัญหาการไหลที่เกิดจากรูปแบบการไหลของอากาศในแนวรัศมีที่แข็งแกร่งซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ใบพัดแบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบง่าย3
สำหรับหน่วยขนาดเล็ก การออกแบบที่กะทัดรัดมักได้รับการเสริมด้วยการใช้มอเตอร์ EC ที่ควบคุมได้ง่าย
พัดลมแกน
ในพัดลมแบบไหลตามแนวแกน อากาศจะไหลผ่านพัดลมในแนวเดียวกับแกนหมุน (ดังที่แสดงในพัดลมแบบไหลตามแนวแกนท่อแบบเรียบง่ายในรูปที่ 6) โดยแรงดันที่เกิดขึ้นเกิดจากแรงยกตามหลักอากาศพลศาสตร์ (คล้ายกับปีกเครื่องบิน) พัดลมแบบนี้มีขนาดค่อนข้างกะทัดรัด ราคาประหยัด และมีน้ำหนักเบา เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเคลื่อนย้ายอากาศภายใต้แรงดันที่ค่อนข้างต่ำ จึงมักใช้ในระบบดูดอากาศที่มีแรงดันตกคร่อมต่ำกว่าระบบจ่ายอากาศ ซึ่งโดยปกติแล้วแรงดันตกคร่อมของส่วนประกอบเครื่องปรับอากาศทั้งหมดในชุดจัดการอากาศจะรวมแรงดันตกคร่อมของส่วนประกอบต่างๆ ไว้ด้วย เมื่ออากาศออกจากพัดลมแบบไหลตามแนวแกนแบบเรียบง่าย อากาศจะหมุนวนเนื่องจากการหมุนที่กระทำต่ออากาศขณะผ่านใบพัด ประสิทธิภาพของพัดลมอาจเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยใบพัดนำทางที่อยู่ด้านล่างเพื่อนำลมหมุนวนกลับคืนมา เช่นเดียวกับพัดลมแบบไหลตามแนวแกนที่แสดงในรูปที่ 7 ประสิทธิภาพของพัดลมแบบไหลตามแนวแกนขึ้นอยู่กับรูปร่างของใบพัด ระยะห่างระหว่างปลายใบพัดกับตัวเรือนโดยรอบ และการคืนลมหมุนวนกลับคืนมา สามารถปรับมุมใบพัดเพื่อปรับกำลังส่งของพัดลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ การหมุนกลับของพัดลมแบบแกนก็ช่วยให้ลมไหลย้อนกลับได้เช่นกัน แม้ว่าพัดลมจะได้รับการออกแบบให้ทำงานในทิศทางหลักก็ตาม
รูปที่ 6: พัดลมแบบไหลตามแนวแกน
เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของพัดลมแนวแกนจะมีบริเวณหยุดทำงาน ซึ่งอาจทำให้ไม่เหมาะกับระบบที่มีเงื่อนไขการทำงานที่หลากหลาย แม้ว่าจะมีข้อดีคือมีลักษณะพลังงานที่ไม่มีการโอเวอร์โหลดก็ตาม
รูปที่ 7: พัดลมแบบใบพัดไหลตามแนวแกน
พัดลมแกนใบพัดมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับพัดลมหอยโข่งแบบโค้งไปข้างหลัง และสามารถสร้างอัตราการไหลสูงที่แรงดันที่เหมาะสม (โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 2 กิโลปาสกาล) ถึงแม้ว่าพัดลมประเภทนี้อาจทำให้เกิดเสียงดังได้ก็ตาม
พัดลมแบบไหลผสมเป็นการพัฒนาต่อยอดจากพัดลมแบบแกนหมุน และดังที่แสดงในรูปที่ 8 มีใบพัดทรงกรวย ซึ่งอากาศจะถูกดูดในแนวรัศมีผ่านช่องที่ขยายออก แล้วจึงส่งผ่านแนวแกนผ่านใบพัดนำลมตรง การทำงานแบบผสมผสานนี้สามารถสร้างแรงดันได้สูงกว่าพัดลมแบบไหลตามแกนหมุนอื่นๆ มาก ประสิทธิภาพและระดับเสียงอาจใกล้เคียงกับพัดลมแบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบโค้งกลับ
รูปที่ 8: พัดลมอินไลน์แบบไหลผสม
การติดตั้งพัดลม
ความพยายามที่จะนำเสนอโซลูชันพัดลมที่มีประสิทธิผลอาจถูกทำลายอย่างรุนแรงโดยความสัมพันธ์ระหว่างพัดลมและทางเดินท่ออากาศในพื้นที่
เวลาโพสต์: 07 ม.ค. 2565