by
1. GIỚI THIỆU
Phần này nói về các đặc điểm chính của quạt và quạt cao áp
1.1 Quạt và quạt cao áp là gì?
Hầu hết các dây chuyền sản xuất sử dụng quạt và quạt cao áp để thông gió và cho các quy trình công nghiệp cần sử dụng dòng khí. Hệ thống quạt rất cần thiết để giữ quy trình sản xuất hoạt động. Hệ thống quạt bao gồm một quạt, một động cơ điện, một hệ thống điều khiển, đường ống, thiết bị kiểm soát lưu lượng, và thiết bị điều hòa không khí (bộ lọc, dàn làm mát, bộ trao đổi nhiệt, vv…). Hình dưới minh hoạ một hệ thống quạt.
Quạt, quạt cao áp và máy nén khác nhau ở phương pháp sử dụng để chuyển dịch không khí, và ở áp suất hệ thống. Tổ chức Hiệp hội các kỹ sư cơ khí của Mỹ (ASME) sử dung những tỷ số riêng, là tỷ số của áp suất đẩy trên áp suất hút, để định nghĩa quạt, quạt cao áp và máy nén (xem bảng 1).
Bảng 1: Sự khác biệt giữa quạt, quạt cao áp và máy nén (Ganasean)
1.2 Các thuật ngữ và định nghĩa quan trọng
Trước khi đi vào phần các loại quạt và quạt cao áp, cần nói rõ về các thuật ngữ và định nghĩa quan trọng.
1.2.1 Các đặc tính của hệ thống
Thuật ngữ “trở lực của hệ thống” được sử dụng khi nói tới áp suất tĩnh. Trở lực của hệ thống là tổng mức tổn thất áp suất tĩnh trong hệ thống. Trở lực của hệ thống là hàm số của các thành phần gồm đường ống, ống gom, cút và sụt áp ở thiết bị, ví dụ như bộ lọc bụi túi hoặc xiclon. Trở lực của hệ thống tỉ lệ bậc hai với lưu lượng khí qua hệ thống. Với một lưu lượng khí cho trước, quạt trong hệ thống có các đường ống hẹp và các cút bán kính nhỏ sẽ phải làm việc với tải nặng hơn để vượt qua được trở lực lớn hơn của hệ thống so với hệ thống quạt có các ống lớn hơn và có số lượng tối thiểu các cút bán kính lớn. Những ống dài hẹp với nhiều đoạn gấp khúc, xoắn sẽ tốn nhiều năng lượng hơn để hút khí qua ống. Kết quả là, với một tốc độ quạt cho trước, quạt trong hệ thống này sẽ hút được ít khí hơn so với quạt trong hệ thống ngắn và không có các cút. Vì vậy, trở lực của hệ thống tăng đáng kể khi lưu lượng khí qua hệ thống tăng, tỷ lệ bậc hai với lưu lượng khí.
Ngược lại, trở lực giảm khi lưu lượng giảm. Vì vậy, để xác định lưu lượng quạt tạo ra, cần phải biết được các đặc tính về trở lực của hệ thống. Với các hệ thống đã có, có thể đo được trở lực của hệ thống. Ở những hệ thống đã được thiết kế nhưng chưa lắp đặt, cần tính trở lực của hệ thống. Điển hình, đồ thị về trở lực của hệ thống (xem hình dưới) được tạo ra với các mức lưu lượng khác nhau trên trục X và với trở lực tương ứng trên trục Y.
1.2.2 Các đặc tính kỹ thuật của quạt
Các đặc tính kỹ thuật của quạt được minh hoạ bằng các đường đặc tính của quạt. Đường tính của quạt là đường cong làm việc của quạt dưới tập hợp điều kiện nhất định. Đường đặc tính của quạt là biểu diễn bằng đồ thị của một số thông số phụ thuộc lẫn nhau. Thông thường, đồ thị này được xây dựng dựa trên một tập hợp điều kiện bao gồm: lưu lượng của quạt, áp suất tĩnh của hệ thống, tốc độ quạt, công suất cần thiết để chạy quạt với những điều kiện đã đưa ra. Một số đường đặc tính quạt có thể bao gồm cả một đường cong hiệu suất để người thiết kế hệ thống biết được tại điểm nào trên đường đặc tính, quạt sẽ hoạt động theo những điều kiện đã chọn.
Giao điểm giữa đường đặc tính của hệ thống và đường đặc tính áp suất tĩnh quyết định điểm làm việc. Khi trở lực của hệ thống thay đổi, điểm làm việc cũng thay đổi. Khi điểm làm việc đã được cố định, có thể xác định công suất yêu cầu bằng cách tìm trên đường thẳng song song với trục tung đi qua điểm làm việc tới giao điểm với đường đặc tính công suất (BHP).
Đường nằm ngang qua giao điểm với đường công suất sẽ dẫn tới công suất yêu cầu trên trục tung bên phải. Trên những đường đặc tính đã vẽ cũng thể hiện hiệu suất quạt.
1.2.3 Các đặc tính của hệ thống và đồ thị quạt
Với bất cứ hệ thống quạt nào, trở lực với dòng khí (áp suất) sẽ tăng khi lưu lượng khí tăng.
Như đã nói trên, trở lực tỉ lệ với bậc hai của lưu lượng. Có thể xác định được áp suất hệ thống cần ở những mức lưu lượng khác nhau và có thể vẽ “đường đặc tính hiệu suất của hệ thống” (gọi là SC) (xem hình dưới).
Đường đồ thị của hệ thống có thể được vẽ trong phần đồ thị của quạt để chỉ ra điểm “A” là điểm hoạt động trên thực tế của quạt, tại đó hai đường cong (N1 and SC1) giao nhau. Điểm hoạt động này có lưu lượng khí Q1 với áp suất P1. Một quạt hoạt động ở hiệu suất do nhà cung cấp đưa ra cho một tốc độ quạt cụ thể. (Đồ thị hiệu suất của quạt cho thấy đường đặc tính hiệu suất ứng với các seri quạt). Ở tốc độ quạt N1, quạt sẽ hoạt động dọc theo đường cong hiệu suất N1 cho trong hình trên. Điểm hoạt động trên thực tế của quạt trên đường cong này phụ thuộc vào trở lực của hệ thống; tại điểm “A” hoạt động của quạt là lưu lượng (Q1) và áp suất (P1).
Có hai phương pháp để giảm lưu lượng khí từ Q1 xuống Q2:
+ Phương pháp thứ nhất là giới hạn lưu lượng khí bằng cách đóng một phần van tiết lưu của hệ thống. Cách này sẽ tạo ra đường độ thị hiệu suất của hệ thống mới (SC2) tại đó áp suất yêu sẽ lớn hơn đối với bất cứ lưu lượng nào. Quạt sẽ hoạt động ở điểm "B" tạo ra lưu lượng cần thấp hơn Q2 với áp suất cao hơn, P2.
+ Phương pháp thứ hai để giảm lưu lượng là giảm tốc độ từ N1 xuống N2, giữ van mở hoàn toàn. Quạt sẽ hoạt động tại điểm "C" tạo ra lưu lượng Q2 tương tự, nhưng ở áp suất thấp hơn, P3. Vì vậy, giảm tốc độ quạt là phương pháp hiệu quả hơn để giảm lưu lượng vì yêu cầu công suất thấp hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.
1.2.4 Các định luật về quạt
Quạt hoạt động theo một tập hợp các định luật có thể đoán trước liên quan đến tốc độ, công suất và áp suất. Mỗi thay đổi về tốc độ (vòng/phút) của quạt sẽ thay đổi có thể đoán được về thay đổi áp suất đẩy và công suất yêu cầu để quạt hoạt động với tốc độ mới. Hình dưới minh hoạ điều này.
2. CÁC LOẠI QUẠT VÀ QUẠT CAO ÁP
Phần này tóm tắt về các loại quạt và quạt cao áp.
2.1 Các loại quạt
Có hai loại quạt. Quạt ly tâm sử dụng một bánh công tác quay để dịch chuyển dòng khí theo phương tiếp tuyến với bánh công tác. Quạt hướng trục dịch chuyển dòng khí dọc theo trục quạt.
2.1.1 Quạt ly tâm
Quạt ly tâm (Hình 6) tăng tốc độ của một dòng khí bằng bánh công tác. Tốc độ tăng liên tục tới khi đến cuối cánh dẫn và chuyển thành áp suất. Những quạt loại này có thể tạo ra áp suất cao, phù hợp với các điều kiện hoạt động khắc nghiệt, như hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao, độ ẩm hoặc dòng khí bẩn,vv… Quạt ly tâm được phân loại dựa trên hình dáng cánh quạt, được tóm tắt trong bảng 2.
Bảng 2. Đặc tính của các loại quạt ly tâm khác nhau (theo US DOE, 1989)
2.1.2 Quạt hướng trục
Quạt hướng trục (Hình 10) dịch chuyển dòng khí dọc theo trục quay của quạt. Loại quạt này có thể so sánh với cánh quạt của máy bay: Cánh quạt tạo ra lực nâng khí động đẩy dòng không khí. Quạt loại này phổ biến trong công nghiệp vì chúng rẻ và gọn nhẹ. Các loại quạt hướng trục chính (quạt đẩy, quạt hướng trục dạng ống và quạt hướng trục dạng cánh gạt) được tóm tắt trong bảng 3.
Bảng 3. Đặc tính của các loại quạt hướng trục khác nhau (theo US DOE, 1989)
2.2 Các loại quạt cao áp
Quạt cao áp có thể đạt được áp suất cao hơn quạt rất nhiều, lên đến 1,20 kg/cm2. Chúng cũng được sử dụng để tạo ra áp suất âm cho hệ thống chân không công nghiệp. Quạt cao áp ly tâm và quạt cao áp thể tích là hai loại quạt cao áp chính, được mô tả dưới đây.
2.2.1 Quạt cao áp ly tâm
Quạt cao áp ly tâm trông giống như bơm ly tâm hơn là quạt. Bánh công tác là loại được truyền động bằng bánh răng và quay với tốc độ 15.000 vòng/phút. Ở quạt cao áp nhiều cấp, không khí được gia tốc khi đi qua mỗi bánh công tác. Ở quạt cao áp một cấp, không khí không quay nhiều vòng vì vậy hiệu quả cao hơn.
Quạt cao áp ly tâm thường hoạt động với áp suất 0,35 – 0,70 kg/cm2, nhưng cũng có thể đạt áp suất cao hơn. Một đặc điểm là lưu lượng khí có xu hướng giảm nhanh khi áp suất hệ thống tăng, đây có thể là nhược điểm ở những hệ thống vận tải vật liệu phụ thuộc vào lưu lượng khí ổn định. Vì vậy, quạt cao áp ly tâm thường được sử dụng nhiều nhất ở các thiết bị khó bị tắc ngẽn.
2.2.2 Quạt cao áp thể tích
Quạt cao áp thể tích có các rôto “bẫy” không khí và đẩy theo thành vỏ quạt. Những quạt cao áp này cung cấp lưu lượng khí không đổi kể cả khi áp suất hệ thống thay đổi. Quạt cao áp loại này đặc biệt thích hợp với những hệ thống dễ bị tắc ngẽn, vì nó có thể tạo ra áp suất đủ (thường lên tới 1,25 kg/cm2) để thổi bỏ những tạp chất làm tắc ngẽn. Chúng quay chậm hơn nhiều so với quạt cao áp ly tâm (v.d. 3.600 vòng/phút) và thường dùng bộ truyền đai để thực hiện thay đổi tốc độ.
Phần này nói về các đặc điểm chính của quạt và quạt cao áp
1.1 Quạt và quạt cao áp là gì?
Hầu hết các dây chuyền sản xuất sử dụng quạt và quạt cao áp để thông gió và cho các quy trình công nghiệp cần sử dụng dòng khí. Hệ thống quạt rất cần thiết để giữ quy trình sản xuất hoạt động. Hệ thống quạt bao gồm một quạt, một động cơ điện, một hệ thống điều khiển, đường ống, thiết bị kiểm soát lưu lượng, và thiết bị điều hòa không khí (bộ lọc, dàn làm mát, bộ trao đổi nhiệt, vv…). Hình dưới minh hoạ một hệ thống quạt.
Bảng 1: Sự khác biệt giữa quạt, quạt cao áp và máy nén (Ganasean)
1.2 Các thuật ngữ và định nghĩa quan trọng
Trước khi đi vào phần các loại quạt và quạt cao áp, cần nói rõ về các thuật ngữ và định nghĩa quan trọng.
1.2.1 Các đặc tính của hệ thống
Thuật ngữ “trở lực của hệ thống” được sử dụng khi nói tới áp suất tĩnh. Trở lực của hệ thống là tổng mức tổn thất áp suất tĩnh trong hệ thống. Trở lực của hệ thống là hàm số của các thành phần gồm đường ống, ống gom, cút và sụt áp ở thiết bị, ví dụ như bộ lọc bụi túi hoặc xiclon. Trở lực của hệ thống tỉ lệ bậc hai với lưu lượng khí qua hệ thống. Với một lưu lượng khí cho trước, quạt trong hệ thống có các đường ống hẹp và các cút bán kính nhỏ sẽ phải làm việc với tải nặng hơn để vượt qua được trở lực lớn hơn của hệ thống so với hệ thống quạt có các ống lớn hơn và có số lượng tối thiểu các cút bán kính lớn. Những ống dài hẹp với nhiều đoạn gấp khúc, xoắn sẽ tốn nhiều năng lượng hơn để hút khí qua ống. Kết quả là, với một tốc độ quạt cho trước, quạt trong hệ thống này sẽ hút được ít khí hơn so với quạt trong hệ thống ngắn và không có các cút. Vì vậy, trở lực của hệ thống tăng đáng kể khi lưu lượng khí qua hệ thống tăng, tỷ lệ bậc hai với lưu lượng khí.
Ngược lại, trở lực giảm khi lưu lượng giảm. Vì vậy, để xác định lưu lượng quạt tạo ra, cần phải biết được các đặc tính về trở lực của hệ thống. Với các hệ thống đã có, có thể đo được trở lực của hệ thống. Ở những hệ thống đã được thiết kế nhưng chưa lắp đặt, cần tính trở lực của hệ thống. Điển hình, đồ thị về trở lực của hệ thống (xem hình dưới) được tạo ra với các mức lưu lượng khác nhau trên trục X và với trở lực tương ứng trên trục Y.
Đồ thị hệ thống của Quạt và Tác động của Trở lực của hệ thống
1.2.2 Các đặc tính kỹ thuật của quạt
Các đặc tính kỹ thuật của quạt được minh hoạ bằng các đường đặc tính của quạt. Đường tính của quạt là đường cong làm việc của quạt dưới tập hợp điều kiện nhất định. Đường đặc tính của quạt là biểu diễn bằng đồ thị của một số thông số phụ thuộc lẫn nhau. Thông thường, đồ thị này được xây dựng dựa trên một tập hợp điều kiện bao gồm: lưu lượng của quạt, áp suất tĩnh của hệ thống, tốc độ quạt, công suất cần thiết để chạy quạt với những điều kiện đã đưa ra. Một số đường đặc tính quạt có thể bao gồm cả một đường cong hiệu suất để người thiết kế hệ thống biết được tại điểm nào trên đường đặc tính, quạt sẽ hoạt động theo những điều kiện đã chọn.
Giao điểm giữa đường đặc tính của hệ thống và đường đặc tính áp suất tĩnh quyết định điểm làm việc. Khi trở lực của hệ thống thay đổi, điểm làm việc cũng thay đổi. Khi điểm làm việc đã được cố định, có thể xác định công suất yêu cầu bằng cách tìm trên đường thẳng song song với trục tung đi qua điểm làm việc tới giao điểm với đường đặc tính công suất (BHP).
Đường nằm ngang qua giao điểm với đường công suất sẽ dẫn tới công suất yêu cầu trên trục tung bên phải. Trên những đường đặc tính đã vẽ cũng thể hiện hiệu suất quạt.
1.2.3 Các đặc tính của hệ thống và đồ thị quạt
Với bất cứ hệ thống quạt nào, trở lực với dòng khí (áp suất) sẽ tăng khi lưu lượng khí tăng.
Như đã nói trên, trở lực tỉ lệ với bậc hai của lưu lượng. Có thể xác định được áp suất hệ thống cần ở những mức lưu lượng khác nhau và có thể vẽ “đường đặc tính hiệu suất của hệ thống” (gọi là SC) (xem hình dưới).
Có hai phương pháp để giảm lưu lượng khí từ Q1 xuống Q2:
+ Phương pháp thứ nhất là giới hạn lưu lượng khí bằng cách đóng một phần van tiết lưu của hệ thống. Cách này sẽ tạo ra đường độ thị hiệu suất của hệ thống mới (SC2) tại đó áp suất yêu sẽ lớn hơn đối với bất cứ lưu lượng nào. Quạt sẽ hoạt động ở điểm "B" tạo ra lưu lượng cần thấp hơn Q2 với áp suất cao hơn, P2.
+ Phương pháp thứ hai để giảm lưu lượng là giảm tốc độ từ N1 xuống N2, giữ van mở hoàn toàn. Quạt sẽ hoạt động tại điểm "C" tạo ra lưu lượng Q2 tương tự, nhưng ở áp suất thấp hơn, P3. Vì vậy, giảm tốc độ quạt là phương pháp hiệu quả hơn để giảm lưu lượng vì yêu cầu công suất thấp hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.
1.2.4 Các định luật về quạt
Quạt hoạt động theo một tập hợp các định luật có thể đoán trước liên quan đến tốc độ, công suất và áp suất. Mỗi thay đổi về tốc độ (vòng/phút) của quạt sẽ thay đổi có thể đoán được về thay đổi áp suất đẩy và công suất yêu cầu để quạt hoạt động với tốc độ mới. Hình dưới minh hoạ điều này.
Tốc độ, áp suất và công suất của quạt (BEE India, 2004)
2. CÁC LOẠI QUẠT VÀ QUẠT CAO ÁP
Phần này tóm tắt về các loại quạt và quạt cao áp.
2.1 Các loại quạt
Có hai loại quạt. Quạt ly tâm sử dụng một bánh công tác quay để dịch chuyển dòng khí theo phương tiếp tuyến với bánh công tác. Quạt hướng trục dịch chuyển dòng khí dọc theo trục quạt.
2.1.1 Quạt ly tâm
Quạt ly tâm (Hình 6) tăng tốc độ của một dòng khí bằng bánh công tác. Tốc độ tăng liên tục tới khi đến cuối cánh dẫn và chuyển thành áp suất. Những quạt loại này có thể tạo ra áp suất cao, phù hợp với các điều kiện hoạt động khắc nghiệt, như hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao, độ ẩm hoặc dòng khí bẩn,vv… Quạt ly tâm được phân loại dựa trên hình dáng cánh quạt, được tóm tắt trong bảng 2.
Bảng 2. Đặc tính của các loại quạt ly tâm khác nhau (theo US DOE, 1989)
2.1.2 Quạt hướng trục
Quạt hướng trục (Hình 10) dịch chuyển dòng khí dọc theo trục quay của quạt. Loại quạt này có thể so sánh với cánh quạt của máy bay: Cánh quạt tạo ra lực nâng khí động đẩy dòng không khí. Quạt loại này phổ biến trong công nghiệp vì chúng rẻ và gọn nhẹ. Các loại quạt hướng trục chính (quạt đẩy, quạt hướng trục dạng ống và quạt hướng trục dạng cánh gạt) được tóm tắt trong bảng 3.
Bảng 3. Đặc tính của các loại quạt hướng trục khác nhau (theo US DOE, 1989)
2.2 Các loại quạt cao áp
Quạt cao áp có thể đạt được áp suất cao hơn quạt rất nhiều, lên đến 1,20 kg/cm2. Chúng cũng được sử dụng để tạo ra áp suất âm cho hệ thống chân không công nghiệp. Quạt cao áp ly tâm và quạt cao áp thể tích là hai loại quạt cao áp chính, được mô tả dưới đây.
2.2.1 Quạt cao áp ly tâm
Quạt cao áp ly tâm trông giống như bơm ly tâm hơn là quạt. Bánh công tác là loại được truyền động bằng bánh răng và quay với tốc độ 15.000 vòng/phút. Ở quạt cao áp nhiều cấp, không khí được gia tốc khi đi qua mỗi bánh công tác. Ở quạt cao áp một cấp, không khí không quay nhiều vòng vì vậy hiệu quả cao hơn.
Quạt cao áp ly tâm thường hoạt động với áp suất 0,35 – 0,70 kg/cm2, nhưng cũng có thể đạt áp suất cao hơn. Một đặc điểm là lưu lượng khí có xu hướng giảm nhanh khi áp suất hệ thống tăng, đây có thể là nhược điểm ở những hệ thống vận tải vật liệu phụ thuộc vào lưu lượng khí ổn định. Vì vậy, quạt cao áp ly tâm thường được sử dụng nhiều nhất ở các thiết bị khó bị tắc ngẽn.
2.2.2 Quạt cao áp thể tích
Quạt cao áp thể tích có các rôto “bẫy” không khí và đẩy theo thành vỏ quạt. Những quạt cao áp này cung cấp lưu lượng khí không đổi kể cả khi áp suất hệ thống thay đổi. Quạt cao áp loại này đặc biệt thích hợp với những hệ thống dễ bị tắc ngẽn, vì nó có thể tạo ra áp suất đủ (thường lên tới 1,25 kg/cm2) để thổi bỏ những tạp chất làm tắc ngẽn. Chúng quay chậm hơn nhiều so với quạt cao áp ly tâm (v.d. 3.600 vòng/phút) và thường dùng bộ truyền đai để thực hiện thay đổi tốc độ.
Nguồn bài viết: Chương trình môi trường liên hợp quốc (năm 2006) UNEP -
Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á
0 comments: