Industrial Fan [EP.2] : คุณลักษณะและสมรรถนะการทำงานของพัดลมอุตสาหกรรม (Characteristics & Performance of fan)

สวัสดีครับเพื่อนๆ หลังจากบทความแรกที่เราได้นำเสนอหลักการทำงานเบื้องต้น และประเภทต่างๆของพัดลมในอุตสาหกรรมไปแล้ว ทำใหเรารู้ว่า พัดลท ทั้งนส่วนของ Blower และ Fan ต่างกันอย่างไร รวมถึงหลักการทำงานครับ

กลับไปอ่านบทความ หลักการทำงาน และประเภทของพัดลมในงานอุตสาหกรรม : Industrial Fan [EP.1]

ส่วนวันนี้จะขอมาแนะนำการทำงานของพัดลมที่ถือว่าเป็นพื้นฐานที่จะทราบถึง Flow, Pressure, Power consume รวมถึง Performance ของพัดลม ซึ่งเราจะต้องดูจากกราฟ Performance ครับ งั้นเราไปดูกันครับว่าการทำงานของพัดลมมีพื้นฐานมาได้อย่างไรบ้าง บอกเลยว่า พัดลมแต่ละแบบนั้นก็จะมีคุณลักษณะของเค้าเอง

คุณลักษณะของพัดลม (Characteristics of Fan)

อย่างที่ทราบกันว่าพัดลมมีหน้าที่ในการส่งถ่ายลม จากที่ๆหนึ่ง ไปยังที่อีกที่หนึ่งครับ ซึ่งขณะที่พัดลมทำงาน จะทำให้อากาศที่กำลังถูกส่งไปเกิดการเคลื่อนที่ได้ด้วยค่าความดันต่างที่เกิดขึ้น เมื่ออากาศเคลื่อนที่ออกไประยะทางที่เพิ่มมากขึ้น ก็จะทำให้ความดันลดลง ซึ่งเป็นไปตามกฏของแบร์นูลี (Bernoulli’s Equation) ครับ

ซึ่ง“ถ้าหากเรานำค่าความดันในช่วงต่างๆ มาเขียนกราฟ” เทียบกับอัตราการไหลของอากาศที่ได้ในช่วงความดัน เราก็จะได้ออกมาเป็น Fan curve นะครับ (เส้นสีแดง) อันนี้เป็นส่วนของพัดลมนะครับ

ต่อมา….พอเราได้ Fan curve แล้วเนี่ย พัดลมจะใช้งานจุดไหนเค้าไม่รู้หรอกครับว่าต้องไปส่งลมที่จะใช้งานจุดไหน ตัวที่กำหนดจุดใช้งานคือ “ระบบ (System)” ยกตัวอย่างเช่น ระบบที่เปิดวาล์วเต็มร้อย กับ ระบบที่หรี่วาล์ว ค่าแรงเสียดทานในระบบก็จะไม่เท่ากัน จุดใช้งานที่เกิดขึ้นก็จะไม่เท่ากัน

ซึ่งความต่างของระบบต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นการสูญเสียจาก แรงเสียดทาน (Friction loss) ความเร็ว (Velocity loss) และความสูง (Height loss) ทั้งสามแบบ จะเป็นตัวที่สร้าง กราฟความดันของระบบขึ้นมา หรือ System curve (สีเขียว)

ซึ่งถ้าค่าความดันดังกล่าวเป็นค่าความดันรวมของระบบ และ “เมื่อนำค่าความดันรวมที่ลดลงของระบบ” มาหักออกจากค่าความดันความเร็ว จะได้กราฟอีกเส้นซึ่งแสดงถึงความดันสถิตของระบบ เราสามารถนำกราฟดังกล่าวไปใช้ในการเลือกจุดทำงาน (Operating point) ที่เหมาะสมที่ของพัดลมชนิดนั้นได้ครับ

คุณลักษณะและสมรรถนะการทำงานของพัดลมแต่ละชนิด

เนื่องจากปริมาณอากาศที่ได้จากพัดลมตามที่กำหนดจากผู้ผลิต ปกติแล้วได้จากการทดสอบ ณ สภาวะแวดล้อมมาตรฐาน เช่น ที่อุณหภูมิ 15 °C ความกดดันบรรยากาศแวดล้อมเท่ากับ 1 บาร์ และความสูงเทียบเท่ากับระดับน้ำทะเล ปานกลาง เป็นต้น ซึ่งสภาวะดังกล่าวอาจแตกต่างจากสภาวะจริงที่ติดตั้งใช้งาน จึงทำให้สภาวะการใช้งานไม่เป็นไปตามข้อกำหนด

เนื่องจากสมรรถนะของพัดลมจะแปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของสภาวะแวดล้อมต่างๆ อาทิ อุณหภูมิ ความเร็วรอบ และความหนาแน่นของอากาศ ดังนั้น The Air Moving and Condition Association (AMCA) จึงได้พัฒนามาตรฐานการทดสอบพัดลมขึ้นและได้ทำการทดสอบเพื่อหากราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดต่างๆ ดังนี้

1. พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า (Forward curved blade fans)

จากรูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่า เมื่อเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างมีค่าสูงขึ้นจะทำให้ค่ากำลังงานที่ป้อนให้เพลา ของพัดลมมีค่าสูงขึ้นตามไปด้วย ซึ่งมีผลทำให้มอเตอร์ของพัดลมทำงานเกินกำลังในขณะที่ความต้านทานของระบบมีค่าลดลง ดังนั้น “จึงไม่ควรใช้พัดลมชนิดนี้กับระบบที่มีอัตราการไหลของอากาศเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา” ช่วงที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของพัดลมชนิดนี้คือ

ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างประมาณ 30 – 50 % ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมมีค่าประสิทธิภาพสูงสุด เส้นกราฟค่าความดันสถิตจะมีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่มีความเสถียรภาพคือช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างในช่วงไม่เกิน 40 % ดังนั้นจึงไม่ควรใช้ปริมาตรที่เปิดกว้างให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนของพัดลมในช่วงนี้

2. พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหลัง (Backward curved blade fans)

จากรูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าช่วงที่เหมาะสม สำหรับการทำงานของพัดลมชนิดนี้ คือ ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนของพัดลม มีค่าประมาณ 50 – 65 % ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ค่าประสิทธิภาพของพัดลมจะมีค่าสูงสุดเมื่อใช้กำลังงานในการขับเพลาของพัดลมสูงด้วยเช่นกัน พัดลมชนิดนี้จะไม่มีลักษณะที่มอเตอร์จะทำงานเกินกำลังและไม่มีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่มีเสถียรภาพ

3. พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดตรง (Straight curved blade fans)

กราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดนี้ จะเหมือนกับกราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า (รูปที่ 7 ด้านบนนะครับ) กล่าวคือเส้นกราฟกำลังงานของพัดลมจะมีค่าสูงขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าค่าความดันของระบบจะลดลงก็ตาม แต่ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านตัวเรือนพัดลมชนิดนี้จะมีค่าต่ำกว่าพัดลมชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า

4. พัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกน (Axial flow fans)

จากรูปที่ 9 จะเห็นว่าเส้นกราฟของเฮดสถิตและเฮดรวมของพัดลมชนิดนี้จะลดลงและเพิ่มขึ้น ในช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรเปิดให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนพัดลมมีค่าอยู่ประมาณ 30 – 50 % ถ้าพัดลมชนิดนี้ทำงานอยู่ในช่วงดังกล่าวจะก่อให้เกิดความไม่เสถียรภาพขึ้นภายในระบบ และช่วงที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของพัดลมก็คือ ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างประมาณ 55 – 75 %

ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมมีประสิทธิภาพสูงสุด สามารถขับเคลื่อนอากาศได้ปริมาณที่มาก และใช้กำลังงานในการขับเลื่อนไม่มากจนเกินไป เส้นกราฟการทำงานของพัดลมจะค่อนข้างแบนราบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในช่วงการทำงานที่มีค่าเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรเปิดกว้างประมาณ 40 % นั่นคือกำลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนพัดลมภายในช่วงดังกล่าวจะมีค่าค่อนข้างคงที่

กฎการแปรผันและกฎความคล้ายของพัดลม (Affinity’s Law)

อัตราไหลของของไหลจะแปรผันตามความเร็วรอบของพัดลม ความดันสูญเสียในท่อลมและท่อน้ำที่ต่ออยู่กับพัดลม จะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วของกระแส (ความเร็ว) นั่นคือ แปรผันตามอัตราไหลกำลังสองนั่นเอง ดังนั้น หากความเร็วรอบเปลี่ยนแปลง ความดันจะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วรอบ และกำลังขับเพลาจะแปรผันตามกำลังสามของความเร็วรอบตาม ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎการแปรผัน ซึ่งแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

ในสูตรข้างต้น V1, V2 แทนอัตราไหล n1, n2 แทนความเร็วรอบ P1, P2 แทนความดัน W1, W2 แทนกำลังขับเพลา

นอกจากนี้ เมื่อเดินเครื่องพัดลมที่มีลักษณะคล้ายกันภายใต้สภาวะที่คล้ายกัน (เช่น จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด) และสมมติว่าประสิทธิภาพของพัดลมเท่าเดิมแล้ว การไหลภายในปั๊มทั้งหมดจะมีลักษณะคล้ายกัน โดยความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลาง D ความเร็วรอบ n กับอัตราไหล ความดัน และกำลังขับเพลาจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้ซึ่ง เรียกว่า “กฎความคล้ายของพัดลม” นะครับ

กฎการแปรผันและกฎความคล้ายบอกเราว่าหากเรามีพัดลมที่มีกำลังมากเกินไป (มีขนาดใหญ่เกินไป) ไม่เพียงแต่การลดขนาดท่อลมเพื่อให้เกิดแรงต้านมากขึ้นเท่านั้น แต่หากเราเปลี่ยนขนาดของพัดลม (ใบพัด) หรือความเร็วรอบ ก็สามารถลดการใช้พลังงานลงอย่างมีประสิทธิผลอีกด้วย วิธีการนี้เป็นกลวิธีอนุรักษ์พลังงานที่สำคัญอย่างหนึ่งในการเลือกใช้หรือดัดแปลงอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยของไหล

แล้วพบกับสาระดีๆทางด้าน งานช่าง งานวิศวกรรม และงานอุตสาหกรรม แบบนี้ได้ในเพจนายช่างมาแชร์นะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit :  https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g

#นายช่างมาแชร์ #Fan #Blower