Nội dung

Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp QUẠT VÀ QUẠT CAO ÁP 1. GIỚI THIỆU ...................................................................................................1 U 2. CÁC LOẠI QUẠT VÀ QUẠT CAO ÁP ......................................................6 3. ĐÁNH GIÁ QUẠT VÀ QUẠT CAO ÁP....................................................11 4. CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HIỆU QUẢ ....................14 5. DANH SÁCH SÀNG LỌC GIẢI PHÁP.....................................................19 6. CÁC BẢNG TÍNH ........................................................................................20 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................23 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 1 minh hoạ một hệ thống quạt. Cơ quan Năng lượng của Mỹ ước tính, 15% điện trong ngành công nghiệp sản xuất của Mỹ được sử dụng cho động cơ. Tương tự như vậy, trong ngành thương mại, điện sử dụng cho động cơ quạt chiếm một phần lớn trong chi phí năng lượng cho điều hoà không gian văn phòng. (US DOE, 1989). 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) Thiết bị Tỷ số riêng Tăng áp suất(mmWg) Quạt Lên tới 1,11 1136 Quạt cao áp 1,11 tới 1,20 1136 –2066 Máy nén hơn 1,20 - Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 1 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 1: Các thiết bị trong hệ thống quạt điển hình (US DOE, 1989) 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 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 2) được tạo ra với các mức lưu lượng khác nhau trên trục X và với trở lực tương ứng trên trục Y. 1 Trừ hình 2, Phần 1.2 được lấy toàn bộ từ Tài liệu Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả (2004), Chương 5, trang 93112, với sự cho phép của Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, chính phủ Ấn Độ. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 2 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 2. Đồ thị hệ thống của Quạt và Tác động của Trở lực của hệ thống (US DOE, 1989) 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. (xem hình 3). Trong số rất nhiều đường cong cho trong hình 3, đường áp suất tĩnh theo lưu lượng đóng vai trò rất quan trọng. 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. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 3 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 3. Đồ thị hiệu suất quạt (BEE India, 2004) 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 4). 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 4. 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: ƒ 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. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 4 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp ƒ 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. Hình 4. Đồ thị hiệu suất quạt (BEE India, 2004) 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 5 minh hoạ điều này. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 5 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 5. 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) Loại quạt và cánh quạt Quạt ly tâm với cánh bằng toả tròn (Hình 7) Ưu điểm Nhược điểm ƒ Chỉ thích hợp với tốc độ lưu lượng thấp-trung bình Quạt cánh cong nghiêng về phía trước, với các cánh quạt cong hướng về phía trước (Hình 8) ƒ Thích hợp với áp suất tĩnh cao (lên tới 1400 mmWC) và nhiệt độ cao ƒ Thiết kế đơn giản, phù hợp với các thiết bị ứng dụng chuyên dụng. ƒ Có thể hoạt động ở lưu lượng thấp mà không bị rung động lớn ƒ Độ bền cao ƒ Hiệu suất đạt 75% ƒ Có khoảng hở bánh công tác - vỏ quạt lớn, thích hợp với những dòng khí có lẫn hạt rắn (bụi, mẩu gỗ, và mẩu kim loại) ƒ Có thể dịch chuyển lưu lượng khí lớn với áp suất thấp ƒ Kích thước tương đối nhỏ ƒ Độ ồn thấp (do tốc độ chậm) và phù hợp với các thiết bị ứng dụng điều hoà không khí, gia nhiệt, thông gió Quạt dốc về phía ƒ Có thể hoạt động với áp suất tĩnh thay đổi ƒ Chỉ phù hợp với các thiết bị ứng dụng dịch vụ làm sạch mà không ở áp suất cao và điều kiện khắc nghiệt ƒ Khó điều chỉnh chính xác năng suất quạt ƒ Cần lựa chọn kỹ phần dẫn động để tránh trường hợp quá tải động cơ vì đường đặc tính công suất tăng nhanh theo lưu lượng. ƒ Hiệu suất năng lượng tương đối thấp (55-65%) ƒ Không phù hợp với dòng khí Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 6 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Loại quạt và cánh quạt sau, với các cánh nghiêng về phía sau hướng với hướng quay: cánh bằng, cánh cong, và cánh nâng (Hình 9) Ưu điểm ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Nhược điểm (và không làm động cơ quá tải) Phù hợp khi hệ thống hoạt động ở lưu lượng khí cao và không ổn định Thích hợp với ứng dụng thông gió cưỡng bức Quạt cánh bằng vững chắc hơn Quạt cánh cong hiệu quả hơn (hơn 85%) Quạt cánh nâng mỏng là hiệu quả nhất bẩn (vì hình dạng quạt gây tích tụ bụi trên cánh) ƒ Quạt cánh nâng kém ổn định hơn do lực nâng tạo bởi mỗi cánh có thể chênh lệch ƒ Quạt cánh nâng mỏng chóng mòn Hì nh 7. Qu ạt ly tâ m cánh toả tròn (Canadian Blower) Hình 6. Quạt ly tâm (FanAir Company) Hình 8. Quạt cánh cong nghiêng về phía trước (Canadian Blower) Hình 9. Quạt nghiêng về phía sau (Canadian Blower) 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) Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 7 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Loại quạt và cánh quạt Quạt đẩy (Hình 11) Ưu điểm Nhược điểm ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Hiệu quả sử dụng năng lượng tương đối thấp ƒ Khá ồn ƒ Quạt hướng trục dạng ống, một quạt đẩy được đặt trong xy lanh (Hình 12) ƒ ƒ ƒ ƒ quạt hướng trục dạng cánh gạt (Hình 13) ƒ ƒ ƒ ƒ Tạo ra tốc độ lưu lượng cao hơn ở áp suất thấp Không lắp với các đường ống dài (vì tạo ra áp suất thấp) Rẻ tiền nhờ cấu tạo đơn giản Đạt hiệu suất tối đa, với áp suất đẩy gần bằng áp suất khí quyển, và thường được sử dụng cho các ứng dụng thông gió trên mái nhà, xưởng Có thể tạo ra dòng ngược chiều, rất thích hợp với các ứng dụng thông gió Áp suất cao hơn và hiệu suất cao hơn quạt đẩy Thích hợp với áp suất trung bình, các thiết bị ứng dụng tốc độ dòng cao, v.d các lắp đặt HVAC Có thể nhanh chóng tăng lên tới tốc độ định mức (nhờ khối lượng quay thấp) và tạo ra lưu lượng ngược chiều, phù hợp với rất nhiều thiết bị ứng dụng thông gió Tạo áp suất đủ để vượt qua được những tổn thất đường ống và hiệu quả không gian, thích hợp với những thiết bị ứng dụng xả khí Thích hợp với áp suất trung bình - cao(lên tới 500 mm cột nước), như quạt cấp liệu ở lò hơi Có thể nhanh chóng tăng lên tới tốc độ định mức (nhờ khối lượng quay thấp) và tạo ra lưu lượng ngượcchiều, phù hợp với rất nhiều thiết bị ứng dụng thông gió Thích hợp nối trực tiếp với trục của động cơ Sử dụng năng lượng hiệu quả nhất (lên tới 85% nếu được trang bị với quạt cánh nâng và khoảng hở nhỏ) Hình 10. Quạt hướng trục (NISCO) ƒ Tương đối đắt ƒ Tiếng ồn trung bình ƒ Hiệu quả sử dụng năng lượng tương đối thấp (65%) ƒ Tương đối đắt so với quạt đẩy Hình 11. Quạt đẩy (FanAir Company) Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 8 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 12. Quạt hướng trục dạng ống (NISCO) Hình 13. Quạt hướng trục dạng cánh gạt (NISCO) 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 2.2.1 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 Phần 2.2 dựa trên Tài liệu Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả (2004), Chương 5, trang 93-112, với sự đồng ý của Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, Chính phủ Ấn Độ Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 9 Thiết bị sử dụng điện: Quạt và Quạt cao áp Hình 14. Quạt cao áp ly tâm (FanAir Company) 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. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org © UNEP 10