VANTİLATÖR TASARIMI. Şekil 1. Merkezkaç vantilatör tipleri

Transkript

1 563 VANTİLATÖR TASARIMI Fuat Hakan DOLAY Cem PARMAKSIZOĞLU ÖZET Bu çalışmada merkezkaç ve eksenel vantlatör tpler çn gelştrlmş olan matematksel modeln çözümünü sağlayan br blgsayar programı hazırlanmıştır. Bu program gerye eğk, öne eğk ve radyal kanatlı merkezkaç ve eksenel vantlatörlern tasarımı çn gereken boyut ve mukavemet hesaplarını yaparak vantlatörün çzmn kendlğnden gerçekleştrmektedr.. GİRİŞ Vantlatörler, Eksenel ve Merkezkaç olmak üzere genel olarak kye ayrılır. Gaz akışkan vantlatör çarkının eksen doğrultusunda akıyorsa Eksenel", yarıçapı doğrultusunda akıyorsa Merkezkaç vantlatör denr Şekl. Merkezkaç vantlatör tpler Konstrksyonuna göre; Merkezkaç Vantlatörler ) Profl Kanatlı )Gerye eğk kanatlı )Radyal kanatlı v) Öne eğk kanatlı Eksenel Vantlatörler ) Pervaneler ) Boru tp ) Yönlendrc kanatlı olarak sınıflandırılır... MERKEZKAÇ VANTİLATÖR TASARIMI Vantlatör tasarımında kullanılan kavramlar şunlardır : Enerj Dönüşümü (Euler Denklem) Enerjnn dönüşümü çn Euler bağıntısı kullanılır. Radyal akımlı br vantlatör ele alınırsa,

2 564 Şekl.. ve Şekl.. Hız üçgenlernn gösterm ω açısal hızıyla dönen döner çark, çndek havayı dışarıya doğru vmelendrecektr. Sürtünmesz, sürekl br akış olduğu, akım çzglernn kanat eğrlğne uyduğu ve sonsuz sayıda kanat olduğu kabulü yaparak, ml merkeznden r kadar uzaklıkta br yerde kanat üzerndek havanın çevre hızı U=ω.r se Mutlak hız (C), çevre hızı (U) ve bağıl hız (W) nn vektörel toplamıdır ve r r v c = u+ şeklnde yazılır. Grş ve çıkış hız üçgenler şekl. dek gb oluşur. Döndürme momentnde mutlak hızın C m merdyen ve C u çevresel bleşenlernden yanlız C u bleşennden moment elde edlr (Euler bağıntısı). Güç, Grş Moment= m. C u. r (.) Çıkış Moment= m. C u. r (.3) Ml Moment = m. (C u. r - C u. r (.4) Güç =moment*açısal hız= m. (C u. r. w - C u. r. w) (.5) N = C u. U - C u. U (.6) ve basma yükseklğ, gh =ΔP / ρ = C u. U - C u. U (.7) olarak hesaplanır. Dk Grş Döner kanatlara gren hava, grşte yönledrc kanatlar yoksa, radyal olarak gryorsa α = 90 o olduğundan C hızı U hızına dk olur. Euler denklem tekrar yazılırsa, gh = C u. U (.8) olarak elde edlr. (.)

3 565 Güç Azalma Faktörü Pratkte belrl sayıda kanat kullanılır ve yeter kadar akımı yöneltmez. Kanat sayısı çoğaldıkça akımın doğrultusu H th- koşuluna yaklaşır. C. Pflederer e göre: ΔP th = μ. ΔP th (.9) olur. μ ye güç azalma faktörü adı verlr. Hdrolk Verm Vantlatör kanalları çndek sürtünme kayıpları nedenyle hdrolk verm de hesaba katarak hakk basıncın teork basınçtan daha düşük olduğunu açıklayablrz. Sonsuz kanat sayısı çn, η h = ΔP / Δp th (.0) C. Pflederer e göre; Cu ΔP/ ρ = U. ηh.. ψ + Z. D / D [ ( ) ] (.) yazılır. Denklem (.) dek hdrolk verm (η h ) vantlatör sürtünme kayıplarını saptarken öneml br yer tutar. Bu vermn yüksek olması gerekr. Gerye dönük kanatlarda, kanat eğrlğ akım teknğ bakımından noksansız ve uygun şeklde dzayn edlmşse η h =0,85 ve daha yüksek olarak kabul edleblr. Basma Yükseklğ Havanın özgül ağırlığı sabt kabul edlrse, H = ΔP / γ (.) yazablrz. Yüksek basınç artışlarında ntegrasyon metoduyla α basınç altında sıkışma etksdr. H = ΔP stat γ. α (.3) Vantıltoren ; Bruno Eck e 4. basım, sayfa 4 den, [], sf 7. Tablo. Basınç altında sıkışma etks P stat α 0,996 0,993 0,986 0,966 0,960 Tablosunda α bulunur. Tek grşl çarkın toplam debs (Q ), Q faydalı debs le ΔQ kaçak debsnn toplamı anlaşılmaktadır. Vantlatör debsnn (faydalı deb), döner çark çnden geçen debye (toplam deb ) oranına Volumetrk Verm denr. (0,95-0,98) alınır. [],sf. 47 ve.4 eştlğne göre tarflenr. η ν =Q / Q (.4)

4 566 Döner Çark Dış Yüzeylernn Sürtünme Verm Vantlatör ç gücünden, döner çarkın dış yüzeylernn sürtmes yoluyla harcanan gücün çıkarılıp vantlatör ç gücüne bölünmes le elde edlr. η r = N N N r (.5) Vantlatör Iç Verm Akışkan entropsnde artışa sebep olan tüm kayıplar ç verm olarak adlandırılır. N I ç güç olmak üzere η = N / N = ην. η h η t olarak hesaplanır. Mekank Verm. (.6) Maknaya verlen mekank enerjnn br kısmı dış kayıplar (yataklar arasındak sürtünmeler) tarafından yutulur ve mekank kayıpları teşkl ederler ve akışkan entropsnde artışa neden olmayan kayıplardır. Vantlatörün ç gücünün, vantlatör gücüne oranına Mekank verm denr. η m = N / Nc (.7) Toplam Verm Vantlatör faydalı gücünün, yukarıdak sebeplerden dolayı vantlatör mlne ulaşablen güce oranına Genel verm denr. Özgül Hız η g = N / Nc = ην. η h. η t η m. (.8) m 3 /sn deby m. yukarı basmak çn gereken devr sayısıdır. Özgül hız akım maknalarında bçm tayn çn kullanılan öneml br sayıdır. Bçm sayısı da denlen bu sayı küçüldükçe döner çark çapı büyür. Ayrıca n q küçüldükçe döner çark en o nspette daralmaktadır. D / D oranı se n q azaldıkça küçülür. Özgül hız, Q nq = n. 3 H 4 (.9) şeklnde bulunur. Basınç Sayısı Çevresel hızın basma yükseklğne oranını tayn eden basınç sayısı, ψ =. ghu. (.0) şeklnde fade edlr. ψ drekt olarak aşağıdak grafkten veya tablodan vantlatör tpne ve dzayn şartlarına göre seçlr, Şekl.3, Tablo..

5 567 Şekl.3. Basınç sayısı [] (Gerye ve radyal vantlatörler çn kullanıldı) Tablo.. [] Basınç sayısı (Öne Eğk Kanatlı)... Yüksek basınçlı santrfüj çarklar... Yüksek basınçlı santrfüj çarklar... Yüksek basınçlı santrfüj çarklar... Orta basınçlı santrfüj çarklar... Alçak basınçlı santrfüj çarklar... (Öne eğk vantlatörler çn bu tablodan alındı),<ψ<,6 n q <40...,0<ψ<, 40<n q <80...,0<ψ<, 80<n q < ,9<ψ<,0 00<n q < ,6<ψ<0,9 50<n q < ,6<ψ<0,7.. MERKEZKAÇ VANTILATÖR DIZAYNI (RADYAL AKIMLI) Döner çarkın konstrüksüyonu çn gerekl hesaplar, Euler denklemlerne göre akım çzgler esas alınarak yapılır. Akım çzglernn gerçekte daha değşk br yön takp etmes nedenyle, teork olarak saptanan değerler Pflederer teork esaslarına göre yeterl şeklde düzeltlr. Özgül Hız (n q ) Hesabı Q,H ve n değerler verldğne göre, (.9) denklemnden özgül hız bulunur ve tanımda anlatıldığı gb basınç sayısına verlen şekl (.3) den veya Tablo (.) den geçlr. Vantlatörü Çalıştıran Güç Iş Gücü N QH =.. γ 0. η (.) Ml Gücü N e QH.. γ = 0. η. η t m (.) N Burada η I ç verm, η m mekank vermdr. (η m = ) Genellkle η m =0,80-0,97 kadardır. Küçük N vantlatörlerde düşük, büyük vantlatörlerde büyük verm alınır. D Çapının Geçc Hesabı U hızının hesabında gerye eğk konstrüksyonlarında Şekl (.3) den, öne eğk ve radyal vantlatörlerde Tablo (.) den basınç sayısı alınır ve (.3) denklemnde yerne konularak bulunur. U hızı, e

6 568 U çıkış çapı D, D =. g. H /ψ (.3) = 60. U / π.n (.4) olarak bulunur.burada elde edlen çap kesn çap değldr. Daha sonra yapılacak hesaplar sonucunda elde edlecek çap le karşılaştırılacak ve değerler yakın değlse şlemler tekrarlanacaktır. Fan Grş Çapı Şekl.4. Düz kanat grş ve D grş çapının gösterlş Şekl (.4) de görüldüğü gb (D s ) çapındak alandan C s hızı le gren deb ;. Ds Q' = π. C 4 s (.5) formülüyle saptanır. C s =Emme hızı (m/sn.) Q =Fan debs (m 3 /sn.) D s =Emme çapı (m.) D = Grş çapı (m.) Kaçak deb gözönüne alınarak (.4) bağıntısından toplam deb çeklr. Verm (0,95-0,98) alınır. D s 4. Q' = D π. C s (.6) Pflederer e göre [], sf.49 şeklnde verlr. olarak saptanır. C = ε.. s g. H (.7) Deneyler sonucunda elde edlen ε değerlernden yola çıkılarak n q <30 çn...ε=0,-0,3 n q >30 çn...ε=0,55(n q /00) /3

7 569 Kanat Grş En (B ) n Hesabı Sürekl olarak gren akımın ortalama hızını, kanat önünde (C om ) olarak fade edelm. (C om ) gerçekten merdyenel ortalama hızdır. Fan mlne paralel olarak gren hava akımının (C s ) grş hızı kanat grşnde aynı kalmaz. Böylece Q =π.d.b.c om olarak fade edlr. Buradan yüksek verml fan dzaynı çn, m=c om / C s =0,5.(00 / n q ) /6 (.8) formülünden yararlanarak; bulunur. B Q = (.9) [], sf.-5 π. D. C om C s grş hızı eksenel durumdan radyal duruma geçerken (yön değştrmes anında) yavaşlar, hızlanır veya aynı kalablr. Bunlardan brsn kabul ederek fan dzayn etmek mümkündür. Yukarıdak sonucun sağlanması çn fan ağzının (r D ) eğrlk yarıçapının (deneylere göre) r D =0,4 D olarak alınması gerekr. Kanat Kalınlığı Genellkle vantlatörlerde kanat kalınlığı S=3-5 mm. arasında seçlr. (sf 53,[]) s : Kanat kalınlığı t : Grş kanat hatves t : Çıkış kanat hatves β : Grş açısı β : Çıkış açısı sn β = S / σ (.30) sn β = S / σ (.3) (a) Şekl.5. Kanat taksmatları Şekl (.5a) da grşte çevre üzerndek kanat kalınlığı (σ ) le ve Şekl (.5b) de çıkışta, çevre üzerndek kanat kalınlığı σ le gösterlmştr. Daralma Faktörü Kanat önündek ortalama merdyen grş hızını (C om ) olarak fade etmştk. Ancak kanat kalınlığından dolayı daralma olacağından kanala grş artacaktır. Havanın kanala grş yernde (D ) çapında C m hızı meydana gelecektr. C m > C 0m olur. ξ : Daralma faktörüdür. C0m / Cm = ξ = σ / t (.3) olarak fade edlr. Burada t taksmat hatvesn fade eder. (b)

8 570 ξ, gerye eğk kanatlı merkezkaç vantlatörler 0,9 le 0,96 ; radyal ve öne eğk kanatlı vantlatörlerde daha küçük alınır. Ayrıca çıkış merdyen hızı C m =(0,6 0,8). C m (.33) Iç verm η ı, hdrolk verm η h, C m ve C m arasında aşağıdak bağıntılar vardır. η h =(,05,).η (.34) C m / C m =0,6-0,8 olarak alınacaktır. (n q <40) değerler çn, küçük sayısal değerler,(n q =80-00) değerler çn, büyük sayısal değerler seçlmeldr. [], sf 5 U Hızının ve (β ) Açısının Hesabı Grş ve çıkış çapları oranı, grş ve çıkış hızları oranına eştlenerek grştek çevre hızı bulunur. U =U. (D / D ) (.35) Seçlen ξ değer kullanılarak kanat grş açısı (.36) formülünden bulunur. C m Com tgβ = = U ξ. U (.36) Kanat Sayısı (Z) Kanat sayısının optmum değern elde etmek mümkün değldr. Bazı kabullerle elde edlen, [3] sf 53 ( D D) ( D / D ) π + / Z =. 3 (.37) formülü y br netce verr. Ayrıca bu değer çıkış açısının bulunmasından sonra aşağıdak Eck veye Pflederer formüller le karşılaştırılarak daha y br netce elde edlr. Ayrıca gerye eğk kanatlı vantlatörler çn β açısının ön kabulü le β açısı da saptanır. Genellkle β =β +0 o olarak alındığında verm artmaktadır. Ancak yapılan deneyler β =β +0 o alınması gerektğn göstermştr. Kanat sayısı: Z K D D + =..snβ D D sn β m = m β + β sn olarak yerne konur ve K=3-8 arası alınablr.

9 57 (β ) Açısının Hesabı Eck 54 bağıntısından, β elde edlr. [4], sf 5. Z = 85,.snβ ( D D ) gerye eğk ve radyal kanat çn ( D D ) Z x = 5 ( D + D ) β 80 tan x = a. β (.38) π x öne eğk kanat çn x 80 β = 80 a tan. β x π eştlkler kullanılır. [5][6] Daralma Faktörü Kontrolü t =π.d / Z formülünde t taksmat hatvesn fade eder. Kanat kalınlığı S=(3 5) alınarak, σ =S / sn β (.39) (.3) formülünden, ξ =( t -σ ) / t olarak bulunur. Daralma faktörü bulunarak lk seçlen değer kontrol edlr. Fark az se devam edlr. Güç Azalma Faktörü (μ) Euler denklemne göre, kanallar çersndek hava (w ) hızıyla ve u çevre hızıyla (β) açısı yaparak kanalı terk eder. Gerçekte bu durum daha farklıdır. Kanat belrl sayıda olduğu çn kanatlar yeter kadar akımı yöneltmez. Kanat sayısı çoğaldıkça, akımın doğrultusu H th koşuluna yaklaşır. Gerçek koşulda gerye dönük kanat sstemnde (β <90 o ) kanalı terkeden hava, dönüş yönüne ters yöndedr. Relatf hız artacağından (β ) açısı azalarak (β 3 ) durumuna gelr. Çıkış üçgen Şekl (.) dek durumdadır. Gerçek br vantlatörde kanat sayısı belrl olduğu çn C u >C 3u dur. C C 3u = μ = [,.( + β / )] Z. ( D / D ) u [ ] (.40)

10 57 Teork basma yükseklğ H th =H / η h (.4) olarak bulunur. Çevresel Hız Kontrolü U Cm Cm =±. ± + gh. th.tanβ.tanβ (.4) Yen çevresel hıza göre gerekrse çıkış çapı (.4) formülünden hesaplanarak şlemler tekrarlanır. (.4) formülünde öne eğk kanatlı merkezkaç vantlatörler çn (-) değerler, gerye eğk kanatlı merkezkaç vantlatörler çn (+) değerler alınır. [],sf 57 D =60.U / π.n Çıkış Kenarı Hesabı t hesabı yapıldıktan sonra (.43) den kanat kalınlığı ve (.44) den çıkış daralma faktörü bulunur, Şekl (.5). t =π.d / Z Çark genşlğ σ = S / sn β (.43) ξ = (t -σ ) / t (.44) B Q' = π. D. C m. ξ (.45) bulunur. 3. EKSENEL VANTİLATÖRLER Merkezkaç vantlatorlere benzer olarak akış debs, basınç artışı ve devr sayısı verlmş olan ve yönlendrc kanatları bulunmayan eksenel vantlatörün tasarımımnda aşağıdak sıra zlenmştr. Standart br kanat profl seçlr.. Bu profle bağlı olarak boyutsuz basınç ve deb sayıları belrlenr. 3. Vantlatörün toplam verm ve kanat sayısı seçlr. 4. Toplam basınç ve vantlatör gücü hesaplanır, motor seçm yapılır. 5. Üç değşk kestte hız üçgenler ve grş- çıkış açıları hesaplanır. 6. Gerekl mukavemet hesapları yapılır. 4. ÇİZİM Üzernde çalışılan program merkezkaç vantlatör tpler olan gerye eğk, radyal,öne eğk kanatlı merkezkaç ve eksenel vantlatörler çn hazırlanmıştır. Programın seçlen vantlatör tpne göre tasarım kısmı le kullanıcı tarafından stenlen özellkler sağlayan vantlatör montaj resmler I-DEAS ve AutoCAD adlı tasarım programları le brlkte çalışarak oluşturulmaktadır. Hesapların yapıldığı taban

11 573 program BASIC olup, burada hesaplanan vantlatör boyutlarıyla lgl karakterstk değerler ekrana yazıldıktan sonra I-DEAS çn br program dosyası (.prg), AutoCAD çn se br scrpt dosyası (.scr) oluşturmakta ve bu dosyalar aracılığı le de çzmler oluşturulmaktadır. Her vantlatör tp çn kanat sayısının grldğ ve hesaplatıldığı olmak üzere kşer program yazılmıştır. Programlar çalıştırıldığında ekrana deb, basınç düşümü,devr sayısı, güç ve çevre sıcaklığı ve opsyona bağlı olarak kanat sayısı le lgl ön (default) değerler gelmekte ve kulanıcı tarafından değştrlmes stenlen değerlern grlmes çn menü sunulmaktadır.hesaplamalar ayrıca ml bağlantısı ve bununla lgl mukavemet değerlern de çermekte ve ayrıca ml bağlantısını çzdrmektedr Aşağıda gerye eğk 8 kanatlı merkezkaç ve eksenel vantlatörler çn I-DEAS yazılımı çıktısı ve öne eğk kanatlı merkezkaç vantlatör çn AutoCAD yazılımı le çzdrlen resmler görülmektedr, Şekl (4.),..Şekl (4.5). Şekl 4.. Patlatılmış montaj resm Şekl 4.. Montaj resm Şekl 4.3. Montaj Teknk resm

12 574 Şekl 4.4. AutoCAD Montaj Teknk resm Şekl 4.5. Eksenel vantlatör Montaj Teknk resm SONUÇ Uygulamada çok sık kullanılan ve görüldüğü üzere farklı tpler bulunan merkezkaç ve eksenel vantlatörler tek tek tasarlama ve değerlendrme zorunluluğu vardır. En uygun tasarıma ulaşablmek çn brçok tasarım değşken etkl olmaktadır. Gelştrlen bu programlar sayesnde tasarım süres kısaltılmakta ve programın kullanıcı ara yüzü kolay olduğu çn bu tasarım değşkenler kolayca değştrlerek en y çözüm bulunablmektedr. Ayrıca üretm sırasında gerekl tüm boyutlar I-DEAS veya AutoCAD gb çzm yazılımlarından kolayca alınablmektetr. KAYNAKLAR [] GÖKELİM,A.T. Endüstryel Fan ve Kompresör Tessler, Brsen Yayınları, 983 [] ÖZGÜR C., YAZICI H.F. Pompalar Vantlatörler Kompresörler, İTÜ [3] BÜYÜKTÜR A.R. Radyal Vantlatörler İTÜ [4] UĞURAL G, PARMAKSIZOĞLU C. Vantlatör ve Sstemler, Termas Yayınları, 99 [5] YAHYA S.M. Turbnes Compressors and Fans, McGraw-Hll, 989 [6] ECK B. FANS, Sprnger-Verlag, 4 Auflage

13 575 ÖZGEÇMİŞ Fuat Hakan DOLAY 996 yılında İ.T.Ü. Makna Fakültes Isı ve Enerj kolundan mezun olmuştur. Aynı yıl İ.T.Ü. Makna Fakültes Enerj programında Yüksek Lsans öğrenmne başlamıştır. Halen İ.T.Ü. Makna Fakültes Enerj kolunda Yüksek Lsans eğtmn sürdürmekte ve Momentum A.Ş. de çalışmaktadır. Cem PARMAKSIZOĞLU 975 İTÜ Makna Fakültes, Kuvvet-Isı Kolunu, 977 İTÜ Makna Fakültes, Enerj kolunu btrmştr. 985 yılında İTÜ Makna Fakültesnden Doktor ünvanını almış ve 989 yılında Doçent olmuştur. Kısa ve uzun sürel olarak Sulzer (A.G.) İsvçre ve U.C. Lawrence Berkeley Laboratory de çalışmıştır. Halen İTÜ Makna Fakültesnde Doçent ve CAD-CAM Merkez Müdürü olarak çalışmaktadır. Isı Geçş, Termk Türbo aknalar ve Tessat lg alanıdır