FANLARDA GÜRÜLTÜNÜN AZALTILMASI

Transkript

1 FANLARDA GÜRÜLTÜNÜN AZALTILMASI Dr. İbrahim ÇAKMANUS. Özet Fanlarda gürültü konusu günümüzde verimlilik kadar önemlidir. Zaten gürültü seviyesinin artması bir miktar verimsizliğe de sebep olabilmektedir. Bu nedenle gürültünün analizi ve anlaşılması fanlarda verimlilik artışının anlaşılmasına da katkı sağlayacaktır. Fanlarda gürültü esas olarak titresim kaynaklı ve akış kaynaklı olmaktadır. Vibrasyon kaynaklı gürültü etkileri akış kaynaklı gürültüye göre daha düşüktür.bu nedenle bu çalışmada akış kaynaklı gürültü üzerinde durulmuştur. Bu mahale ekli literatüre dayalı olarak yapılmıştır. Aanahtar kelimeler Fanlarda gürültü, akış kaynaklı gürültü, titreşim kaynaklı gürültü 1. Giriş Endüstriyel fanlar genelde gürültülüdür. Ancak çoğu yerde bu durum sağlık sorunlarına yol açar ve bu nedenle arzu edilmez. Ayrıca yüksek gürültü düzeyleri enerji verimsizliğinin ve titreşim sorunlarının da habercisi olabilir. Fanlarda gürültü esas itibarıyla akış kaynaklı aeroacoustic bir sorundur. Yani fan kanatlarının akışkan (genelde hava) üzerinde yarattığı aerodinamik kuvvetlerin sonucu oluşmaktadır. Bu gürültüyü analiz edebilmek için öncelikle akış alanının anlaşılmasına ihtiyaç vardır. Ancak geçici rejimde oluşan bu gürültünün analizi ve hesaplanması çok zordur. Bu bağlamda Jeon ve Lee (1-3) tarafından sayısal bir analiz yöntemi geliştirilmiştir. Burada belirtilen yöntem akustik basıncı 2 db hata ile belirleyebilmektedir. Burada rotorun sabit devirde döndüğü kabul edilmiştir. Rotorun akış alanının sıkıştırılamaz ve akışın viskoz olduğu kabul edilmiştir. (Gerçekte ise 2000 Pa üzerindeki fanlarda akış sıkıştırılabilir duruma gelmektedir). Burada kanatlara gelen kuvvetler unsteady Bernoulli denklemi ile hesaplanabilmektedir. Kanatlara gelen kuvvet dağılımları ise Lawson denklemleri ile belirlenebilmektedir (4). Bu çalışmada rotorun dönme hızı, debi, cut-off mesafesi, kanat sayısı gibi değişkenlerin gürültü üzerine etkileri incelenmiştir. 2. Boyutsuz Parametreler Fanlarda tasarıma yönelik sınıflandırma katsayıları esas alınarak yapılır. Bunlar, V :debi katsayısı 3 nd 1 2 n n s P t 2 2 D2 4 3 : basınç katsayısı :özgül hız şeklinde ifade edilir. Bunlar yeniden düzenlenirse, V 4V 2 ua u D 2 u P t 2 2 n s 3.65n 1 V H elde edilir. Burada D1 (=DN) fan emiş ağzı çapı (m), V fan debisi (m 3 /s), H fan basıncı H (=ΔPt (Pa)/ρ (kg/m 3 ), m), n fan devir sayısı, D2 rotor çapıdır (m). Bu parametrelerin ve aşağıda verilen başka bazı

2 parametrelerin fanlardaki gürültü üzerine etkileri bulunmaktadır. Strouhal Sayısı Fanlarda gürültü için boyutsuz en önemli sayı Strouhal sayısıdır. Bu sayı aşağıdaki gibi tanımlanır. fd St ' U Burada D boyutsuz uzunluk, U ise rotor hızıdır. Bu değerler gürültü için gerekli frekans bilgilerini sağlar. Fanlarda gürültü için Strouhal sayısı aşağıdaki gibi tanımlanır. Burada Z kanat sayısıdır. Burada karakteristik uzunluk D (D =πd/z) ile değiştirilir. Birincil harmonikler için St=1 ve ikincil harmonikler için St=2 alınır. 3. Gürültü Analizi Fanlarda gürültünün ana sebeplerinden birisi fan kanatlarının fan boğazını (cut-off) geçerken oluşan basınç dalgalanmaları veya harmonikleridir. Bu bölgede cut-off un bir bölgesinden diğer bölgesine geçişte yüksek basınç dalgalanmaları oluşur. Şekil 1 de bir fan gövdesinin değişik noktalarında yapılan basınç ölçümleri görülmektedir (5). Burada 1 nolu ölçüm noktası CUT-OFF (boğaz) noktasında bulunmakta olup referans noktası olarak kabul edilmiştir.1 ila 4 nolu noktaların bulunduğu bölge stabil olmayan bölge olup türbülans çok fazladır ve sağlıklı ölçüm de çok zordur. 15 ve 16 nolu noktalara kadar olan bölge salyangoz bölgesi olup cut-off bölgesindeki yüksek hızın basınca dönüştüğü bölgedir.

3 Rotor: 12 çapında x 4 genişlikte, 8 kanatlı Çıkış: 10 1 / 4 x 4 1 / 8-23, 24, 25 ve 26 nolu noktalar radial konumda Diğer tüm noktalar aksiyal konumdadır. Şekil 1. Santrifüj fanda basınç dağılımı (5). Tap No. Static Pressure (Pa) BF nz / 60 şeklinde hesaplanır. Örneğin Z=12 bir fan için 750 d/d, Fanlarda kanat frekansı (Hz) 1000 d/d, 1500 d/d ve 3000 d/d değerlerinde kanat frekansları 150, 300, 600 olarak hesaplanır. Kanat sayısı arttıkça bu değerler artar. Diğer yandan frekans invertör ile değişken devirle kontrol edilen fanlarda frekans değerleri ve dolayısıyla cut-off bölgesindeki basınç dalgalanmaları da sürekli değişir. Aşağıda fan debisi, fan basıncı, devir sayısı, kanat sayısı ve fan verimliliği ile oktav bantlarına bağlı olarak fan gürültüsünün ampirik biçimde hesaplanması verilmiştir. Tabloda ve formülde görüldüğü üzere fan verimliliği arttıkça gürültü azalmaktadır. Ayrıca aynı devir sayısı için debi ve basınç arttıkça gürüştü seviyesi artmaktadır.

4 4. Sayısal Sonuçlar ve Tartışma 4.1. Gürültüye Etki Eden Faktörler Kanatlara gelen basınç dalgalanmaları aşağıdaki eşitliklerden hesaplanabilmektedir (4). (1) nolu kaynak dikkate alınarak aşağıdaki değerler verilebilir. Şekil 2. Basınç dalgalanmalarına kanatlardaki bağlı vortex mukavamet değerleri. Şekil 3. de ise kanatların etrafındaki vortex ve basınç değişimleri görülmektedir. Şekil 3. Rotor kanatlarının etrafında zamana bağlı vortex değerleri.

5 Şekil 4 de Strouhal sayısı ve fan devir sayısına bağlı olarak gürültü seviyesinin değişimi görülmektedir. Şekil 4. Fan devir sayısına bağlı olarak gürültünün değişimi örneği. Şekil 5 de kanadın çıkış tarafındaki çevresel hıza bağlı olarak gürültünün değişimi görülmektedir. Şekil 5. Fan kanat ucu hızına bağlı olarak gürültünün değişimi örneği. Şekil 6 da ise Cut-off mesafesinin (rotor çapına izafeten) fan gürültüsüne etkisi görülmektedir.

6 Şekil 6. Cut-off mesafesinin (rotor çapına izafeten) fan gürültüsüne etkisi. Yukarıda verilen açıklamalardan görüleceği üzere fanlarda gürültüyü en fazla etkileyen parametreler; Cut-off (boğaz) aralığı: bu aralık rotor çapının %6 sı ile %15 i arasında olabilir. Aralık arttıkça gürültü seviyesi düşmektedir. Fan basıncı: Fan kanatlarından kaynaklanan basınç dalgalanmaları fan gürültüsünü artırmaktadır. Fan debisi: Fan debisinin artışı gürültü üzerinde basınca göre daha az etkisi vardır. Fan verimliliği: Fan verimliliği arttıkça gürültü seviyesi 8-10 db a kadar düşmektedir. Kanat açısı: Akustik gürültü açısından arkaya eğik fanlarda en ideal kanat açısı girişte ve çıkışta civarındadır. Ancak düşük debili yüksek basınçlı fanlarda bu açılar ve dolayısıyla gürültü de artar ve çalışma koşullarının sonucu olarak çoğu kez bundan kaçınmak mümkün değildir. Kanat sayısı: Kanat sayısı fan frekansını belirler, gürültü üzerinde çok ciddi etkisi yoktur. Ancak kanatların akışa karşı oluşturabilecekleri direnç burada etkili olabilir. Devir sayısı: Aynı fan için devir sayısı arttıkça debi doğrusal ve basınç devir sayısının karesi ile arttığı için gürültü de bu değerlere bağlı olarak logaritmik biçimde artar. Emiş hunisi ile rotor arasındaki boşluk. Bu boşlukta resirkülasyon olması fan verimliliğini düşürür, gürültüyü artırıcı yönde etki eder. Bu mesafenin 5-10 mm civarında olması (fan büyüklüğüne bağlı olarak), salmastra şeklinde önlem alınması yararlı olabilir. Salyangoz tasarımı: Fan verimliliğini etkilediği için gürültüyü de dolaylı olarak etkiler. Olarak özetlenebilir Gürültünün Azaltılması Bir fanda gürültünün kaynakları yukarıda özetlenmiştir. Gürültünün azaltılmasında öncelikle hidrolik tasarımın iyileştirmesi hedeflenmelidir. Bu işlem olabildiğince yapıldıktan sonra aşağıdaki örnekteki gibi önlemler alınabilir (7).

7 Şekil 7a. Salyangoz sırtında akustik yalıtım. Şekil 7b. Akustik yalıtım kesiti. Şekil 8 de görüldüğü üzere salyangoz sırtında ses yutucu malzeme ile akustik yalıtım yapılması fan kanatlarının oluşturduğu basınç dalgalanmalarını ve dolayısıyla gürültü düzeyini azaltabilmektedir. Görüldüğü üzere bu yalıtım detayı; 1. ses yalıtım malzemesi, 2. Boşluk, 3. Mikro perfore plaka (yaklaşık 1 mm kalınlığında,%80 perfore), 4. %45 geçirgen malzeme (porozity-ses yutucu malzeme) ve mm zırhlı perfore cut-off malzemesinden oluşmaktadır. Şekil 8 de ise bu sistemin test sistemi görülmektedir.

8 Şekil 8a. Test sistemi ve fanda yalıtım uygulaması Şekil 8b. Deney yapılan fanın özellikleri. Şekil 8c. Cut-off bölgesinin yeniden düzenlenmesi.

9 Şekil 8d. Fan karakteristik eğrileri (birinci grafik 2900 d/d için, ikinci grafik 1450 d/d içindir). (a) Frekansa bağlı değişim. (b) Debiye bağlı değişim. Şekil 8e. Farklı ses yutum malzemesi kalınlıkları için ses yutum katsayıları.

10 Şekil 8f. Farklı frekanslar için gürültü seviyeleri.

11 (a) n=2900 d/d. (b) n=1450 d/d Şekil8g. Orijinal fan ve modified fanlarda performans değişimi Görüldüğü üzere içten akustik yalıtımın fanın akış özellikleri üzerinde de etkileri bulunmaktadır. Öte yandan bu tür uygulamalarda yüksek hava hızlarının ve basınç dalgalanmalarının yalıtım malzemesine zarar vermemesi, endüstriyel uygulamalarda toz partiküllerinin bu akustik elemanları tıkaması veya aşındırması olasılıkları iyice etüt edilmelidir. Fan üzerinde olası bir başka akustik yalıtım uygulamas da fan dış gövdesinin yaklaşık 10 mm boşluk bırakıldıktan sonra akustik bir malzeme ile kaplanması olabilir. Fanın emiş, basma veya her iki ağzında susturucu kullanılması da geleneksel olarak en sık uygulanan yöntemlerdir. Bu uygulamalarda hava hızı m/s alınır ve kanal çapları redüksiyon ile büyültülerek uygulama yapılabilir. Burada da susturucu içinden geçen gazın kimyasal özellikleri ile toz partikülleri de tasarımda dikkate alınması gereken diğer parametrelerdir. Kaynaklar [1] Wan-Ho Jeon, Duck-Joo Lee, An analysis of the flow and aerodynamic acoustic sources of a centrifugal impeller, Journal of Sound and Vibration, 222 (3) (1999) [2] Wan-Ho Jeon, Duck-Joo Lee, An analysis of the flow and sound field of a centrifugal fan located near a wedge, Fifth AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, , [3] Wan-Ho Jeon, Duck-Joo Lee, An analysis of sound field of a centrifugal fan with volute casing, Sixth AIAA Aeroacoustics Conference, AIAA/CEAS , 2000.

12 ARICLE IN PRESS [4] M.V. Lowson, The sound field for singularities in motion, Proceedings of the Royal Society in London, Series A 286 (1965) [5] Alden, J. L., 1959, Design of Industrial Exhaust Systems The Industrial Press, New York. [6] Wan-Ho Jeon, Duck-Joo Lee, An analysis of the flow and aerodynamic acoustic sources of a centrifugal impeller, Journal of Sound and Vibration, 222 (3) (1999) [7] Y Gu, D Qi, Y Ma, and X Wang, Theoretical and experimental studies on the noise control of centrifugal fans combining absorbing liner and inclined tongue, Proc. IMechE Vol. 225 Part A: J. Power and Energy, June 2011.