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工業的に空気気体混合物を移動するために、様々な気体吹き込み機械が使用されます。一般的には、移動される媒体の圧力上昇の程度に応じて2つのグループに分けられます。第1のグループには、圧力を少ししか上げられない機械、すなわちファン、ガスブロワーが含まれます。第2のグループは、移動される媒体を高圧で圧縮できる機械、すなわちコンプレッサーを含みます。
ファンの例をあげて、空気と気体の混合物を移動させる機械を詳しく説明しましょう。 ファンとは、圧力を最大12〜15kPaに上昇させながら、様々な空気と気体の混合物を動かすように設計された機械です。ファンの特徴はシンプルなシングルステージ設計と低い回転周速です。ファンは、ハウジング、ハウジング内の軸に取り付けられたブレード付きインペラ、およびドライブで構成されています。電動モーターによって駆動されます。
ファンは日常生活にも工業にも広く利用されます。工業用ファンは、より厳しい稼働条件のために特定の要件があります。工業用ファンは、関わる技術工程のパラメータを満たすことに加えて、構造の信頼性と安全性の高い要件を満たさなければなりません。
ファンは、臨界温度、研磨特性、粉塵および含水量が異なる様々な空気と気体の混合物の移送に使用されます。そのため、ファンの製造における重要なパラメータは相応しい材料です。
一般的に、ファンの動作原理は次のように説明できます。
ファンの動作は、圧力および流速の初期値を有する作動媒体が入口を通過し、ハウジングの内部に取り付けられたインペラに当たることにあります。ファンのインペラは、ハブによってシャフトに固定されます。ドライブによって駆動されます。インペラの回転中、空気と気体混合物が吸入されるために、インペラの前に真空が形成されます。次に、移動媒体は、ドライブからエネルギーを供給するインペラを通過し、出口を通って供給されます。ファンの出口では、作動媒体は、インペラで伝達されるエネルギーによって、圧力および流速が増加されます。
様々な液体および空気気体の混合物を移送するために工業的に使用される機械は構造が同じです。そのために同じ基本的な技術的なパラメータを持っています。
適用分野および運転条件に応じて、広い範囲の換気装置が製造され、その選択肢は以下のような主な技術的パラメータによります。
1.生産性Q – 時間単位に移送される空気気体の混合物の量を表します。ファンの性能は、1〜100.0000 m3/sの範囲で異なります。次のように計算されます。
Q = V/t [m3/s]
ここで：
Vは作動媒体の移動流体の体積[m3]
tは時間
2.圧力 – 移動される空気ガス媒体がファンを通過する際に伝達するエネルギーの量を表します。ファンの圧力を圧力の単位で表すのが通例です。ファンによって生成される全圧力は、静的および動的部分で構成されます。
Рp = Рst + Рdyn
ここで：
Pnは全圧[Pa]
Рstは静圧[Pa]
Pdynは動圧（Pdin =ρω2/2）[Pa]
ωは作動媒体の平均速度[m/s]
ρは作動媒体の密度[kg/m3]
3. 出力は、作動媒体を動かすのに必要なエネルギーの量を表します。伝達と有用に分けられています。 伝達能力は、駆動装置からファンに伝達されるエネルギーで、有用能力は、作動媒体の移動に費やされるエネルギーの実際の値を表します。伝達能力の値は有用能力を上回ることがあり、それはエネルギーの伝送における損失によるものです。
ファンの出力は、次の式で計算されます。
N = (Q•P)/(1000•ŋ) [kW]
ここで：
Q - ファンの出力[m3/s]
P - ファンが生成する圧力[Pa]
ŋ - ファンの効率
4.ファンは上記の主な技術的パラメータに加えて、次の二次的パラメータが重要な役割を持っています。気候の設計、運転中の許容ノイズレベル、全体の寸法、耐食性などです。この特性は、ファンの選択に大きく影響します。
ファンの一般的な分類は、移動媒体の流れの移動方向によります。それに応じて、工業用に使用される主なファンには2種類あります。
軸流ファンでは、その名称が示すように、作動媒体の流れが中心線またはファン軸に沿って動きます。
ラジアルファンでは、作動媒体が回転中に発生する遠心力のためにインペラの中心から端部まで羽根に沿って移動し、次いでハウジングを通って排出管から出ます。
ラジアルファンは丈夫で、高効率で比較的高い圧力を発生することができ、過酷な環境に適しています。
ラジアルファンは、スパイラルハウジング、シャフト、ブレードを備えたインペラと駆動装置からなります。ファンは、支持フレームに取り付けられます。
ファンのスパイラルハウジングは、一般的に溶接またはリベットで接続された鋼板で作られます。高圧範囲で作業する場合、ファンのハウジングは一体で鋳造されます。鋼板製のスパイラルハウジングは、十字線またはリブでさらに補強されます。ファンの動作に起因する騒音レベルを低減するために、ハウジングは特別な騒音吸収パネルで覆われるか、ボックスに入れられます。
ラジアルファンの主な作動要素はインペラで、その回転によって作動媒体が移送させます。通常、後部および前部ディスク、ハブおよびブレードからなります。運転条件に応じて、インペラには下記の種類があります。
ハブはインペラをシャフトに固定するために必要です。ハブはブランクから鋳造または削り出しされます。
ブレードはインペラの不可欠な部分です。ディスクとハブに取り付けられます。ブレードを固定する方法は、必要な構造の強度および剛性ならびに経済効果に直接依存します。最も信頼できる方法は溶接です。それによりインペラのすべての部分が同じ寿命を持っているため、効果的です。動作条件の下、ブレードがディスクより速く摩耗した場合、リベットまたはスタッド接続が使用されます。ファンの効率と性能はブレードの形状によります。 インペラに取り付けられるブレードの種類は下記の通りです。
ファンの効率に影響を及ぼす重要な要素は、インペラと入口ノズルとの間の隙間です。隙間はインペラの直径の1％を超えてはいけません。
ファン駆動は、以下のように施工されます。
ラジアルファンには、インペラの取り付けとドライブに接続するためのいくつかの組み立て方法が使用されます。
大型のインペラのファンの場合は、カップリングまたはベルトドライブを使用することをお勧めします。最も一般的なのは、インペラシャフトとドライブのコンソール接続、いわゆるファンのハウジングの外側にある支持ベアリングに取り付けられたインペラのシャフトに接続する方法です。この方法の利点は、伝達中の機械的損失がなく、小さな領域に設置できること、欠点はインペラのサイズによって制限されることです。2つの支持ベアリングの間にインペラシャフトを設置することはより信頼性が高く、ファンの安定した動作を保証することができます。この方式の欠点は、構造が複雑であるためファンを空気ダクトに取り付けることが難しいことです。両面吸引ファンの場合、ドライブへのコンソール接続は使用されません。 ラジアルファンの分類
ラジアルファンの主な分類は、以下の操作および設計の特徴により行われます。 作成される圧力によって：
吸引側数によって：
インペラ（駆動側）の回転方向：
排気口の位置：
汎用ファン排気口は、それぞれ前のものに対して45度ずれ、7つの位置に設置することができます。 225度の角度で排気口の設置は、パイプラインへの接続が複雑であるため、行われません。
専用ファンの排気口の空間的な向きは、0〜345度（ミルファン用）と0〜255度（送風機用）の範囲で15度ごとに位置を変えて取ることができます。
移動する媒体の特性に応じて、ラジアルファンは使用目的に応じて次のカテゴリに分けられます。
汎用ファンは、固体の混合物や塵が含まれない、200℃を超えない無害の空気気体混合物を移動するために使用されます。換気（屋根）に使用されるファンが含まれます。 また、産業用に多数の専用のファンが製造されます。それは、高い動作温度、研磨特性および腐食特性、固体含有量、高爆発性などを特徴とする様々な空気気体媒体を動かすために使用されます。このクラスには次のファンが含まれます。
ファンの種類ごとに、動作条件を満たす材料設計が選択され、通常に信頼性の高いトラブルフリー動作を提供することができます。
耐腐食性ファンの流通部には、ステンレス鋼、チタンおよびその合金が使用され、様々なポリマー材料が広く使用されています。
移動媒体における固体含有物の含量が高いため、ダスト用ファンの部品およびユニットの信頼性が非常に高いです。そのため耐摩耗性材料から製造されます。
防爆型ファンは、可動部品の衝撃や摩擦の際に火花が発生しないように、柔らかい材料（アルミニウムとその合金）から製造されます。
送風ファンの動作の特徴は、高温の空気気体混合物の移送にあるため、様々な耐熱鋼が使用されます。
軸流ファンの設計は、シンプルで小寸法が特徴です。設置スペースが限られているため、ラジアルファンの使用できない場所で使用されることがよくあります。軸流ファンは、円筒形の本体、ブレードを備えたインペラと駆動装置で構成されます。
軸流ファンの本体は円筒形に作られます。本体の内径は、インペラの自由回転を保証するように設計されます。本体とインペラの羽根との間の最大距離は、羽根の長さの1.5％を超えてはなりません。ファンの設計における空力特性を改善し、油圧損失を低減するには、インレットのコレクタ、インペラハブのインレットとアウトレットのフェアリング、アウトレットのディフューザを追加して変更します。
軸流ファンのインペラは、羽根とハブからなります。羽根のハブへの取り付けは、ラジアルファンのインペラに使用される取り付けと同じです。羽根の数は2から16まで変化します。軸流ファンのインペラを作るには、溶接、鋳造またはスタンピングが用いられます。
インペラのブレードは、回転面に対して異なる角度で設置され、空気気体混合物の供給過程を効率的に調整することを可能にします。軸流ファンでは、インペラの回転方向を変えることによって作動媒体の流れ方向を変えることができます。これは、可変角度ブレードの可逆羽根車または非可逆羽根車を逆転させて使用することによって実現できます。軸流ファンの設計には、迅速な取り付けが可能です。
軸流ファンは、モーター軸、クラッチまたはベルトドライブに直接接続されて駆動されます。駆動装置として、電動モーターが主に使用されます。ドライブとの接続方式は、移動さ
れる媒体の動作条件および特性によって異なります。清潔で無害な媒体の場合には、電気モーターが作動媒体の流れの中に設置されるのが一般的です。水分含有量が多い場合や固体含有物の場合には、ドライブが作動媒体の流れから離すことが多いです。
軸流ファンの分類
軸流ファンには主に3種類があります。
ブレードタイプ - 軸流ファンの最も単純な型です。電動モーターのシャフトに取り付けられたハウジングのないインペラです。このタイプのファンは通常、低速と中程度の温度で動作します。これは高い生産性と発生される低圧を特徴として持っています。ブレードファンは排気ファンとして屋内で使用されることが多いです。屋外での使用は、空冷システムおよび冷却塔に含まれます。このタイプの効率は約50％以下です。
第2のタイプは、円筒形本体内に設置されたブレードインペラを有します。インペラの回転速度は、ブレードタイプの回転速度よりも速く、250〜400Paの高い出力を発生させることができます。効率は65％に達します。
ガイドベーン付き軸流ファンは、前述のタイプと同様の設計を持ち、インレットにガイドベーンが追加設置されます。この解決策は、作動媒体の流れを変えて、整流にすることによって効率を改善させます。その結果、500 Paまでのかなり高い出力を発生できます。このタイプは高エネルギー効率基準に対応します。
ファンは、産業や日常生活の多くの分野で使用される最も一般的な機械の1つです。その適用は、主に給排気に使用される空気気体混合物を移動させることです。しかし、換気に加えて、多くの分野とプロセスに使用されることができます。
軸流およびラジアルのファンは、それぞれの作動原理に基づいています。軸流ファンには、作動媒体がシャフトの軸に沿って入口から出口に移動し、ラジアルのファンには流れがシャフト軸に沿って入口から移動し、その後に方向を変え、軸の垂直に出口ノズルに向かって移動します。
ラジアルファンは、多数型および適用の範囲が広いために製造過程で最も広く使用されています。これは能力と発生圧力の幅広い範囲で作動できます。しかし、ラジアルファンの設計
はより複雑で、設置のために大きな面積を必要とします。
軸流ファンは、シンプルな設計、全体的な寸法の小型化、および短距離に大量の作動媒体を移動する能力と経済的効率を特徴とします。多くの場合、軸流ファンの駆動はハウジング内に位置し、作業媒体にダスト含有量および許容温度の制限があります。軸流ファンのインペラの回転速度は、ラジアルファンの回転速度よりも高いため、ノイズが増えます。
条件
部屋の換気に使用される70 Pa以下の圧力Pmaxを発するファンがあります。室内からの空気取り入れ口は、一定の直径のパイプです。その抵抗値は1メートル当たり7Pa増加すると仮定することができます。ファンは、未知の長さの吸引および送達パイプに接続された後、測定ではファン入口に、P -32 Pa圧力が発生し、ファンの出口に過剰圧力Pは24Paが発生します。パイプライン内の測定空気速度ωは3m/ sです。計算では空気密度ρは1.2kg/m3と仮定されます。
課題：
排出パイプラインの最大長をどれだけ延長できるかを計算します。
解決策：
ファン圧力の計算式を検討します。
P = (Pnv+(ωn2∙ρ)/2) – (Pvv+(ωv2∙ρ)/2)
ここで、ωvとωnは吸引パイプと排出パイプの空気速度です。 パイプの直径は変化しないため、ωv=ωn。これにより、数式は次の形式で表されます。
P = Pnv – Pvv = 24 - (-32) = 56 Pa
所定の運転条件で利用可能なファンは、70-56 = 14Paの圧力余裕を有することになります。
排出パイプの長さを長くすると、パイプの抵抗が増加し、ファンの圧力値が高くなります。したがって、生成圧力でファンがその限界に達するまで、排出パイプの抵抗をどれだけ増加できるかを計算することが可能です。
14/7 = 2 m
排出パイプを2メートル以内で延長することができまます。
条件：
大気圧P1 = 0.1mPaの部屋から、一定の直径d = 500mmのパイプを通して空気が排気され、大気P2 = 0.1mPaに排出されます。ファンはQ = 2000m3/hの流量で動作し、N = 1,1kWを消費し、その回転数nは1000rpmです。測定では、吸入管の圧力低下がPpv = 60Paで、吐出管の圧力低下がPpn = 80Paであることが分かりました。計算では、空気密度ρは1.2kg/m3と仮定されます。
課題：
ファンが発生する圧力を計算し、シャフトの回転速度がn = 1200 rpmに増加させる場合、出力がどのように変化するかについて、ファンの性能がどのように変化するかを計算します。
解決策：
パイプの断面積は次のとおりです。
F = (π∙d2) / 4 = (3,14∙0,52) / 4 = 0,2 m2
ファンの圧力を計算するには、最初に、パイプライン内の空気速度を計算する必要があります。両口直径が同じなので、吸入部分と吸引部分の速度が同じになります。空気速度は流量式から計算します。
Q = F∙ω
従って
ω = Q / F = 2000 / (3600∙0,2) = 2,8 м/с
速度を計算した後、ファンの圧力を特定することが可能になります。
P = (P2-P1) + (Ppv+Ppn) + (ω2∙ρ)/2 = (105-105) + (60+80) + (2,82∙1,2)/2 = 145 Pa
増加した回転数での流量は、以下の式から計算することができます。
Qn/Q = nn/n
従って
Qn = Q∙nn/n = 2000∙1200/1000 = 2400 m3/h
新しい速度で流量を計算するには、別の式が使用されます。
Nn/N = (nn/n)³
従って
Nn = N∙(nn/n)³ = 1,1∙(1200/1000)³ = 1,9 kW
その結果、ファンの圧力は145 Pa、回転数は1200まで増加させる場合、流量は2400 m3/hまで増加し、消費電力は1.9 kWまで増加します。
条件：
室内から直径dv = 200mmの吸込管を通して、ファンによって空気が排出し、直径dn = 240mmの注入パイプを通して大気中に放出されます。ファンに直接取り付けられたセンサから読み取った値のみが利用可能です。ファン入口の真空計はPvv = 200Paの真空を示し、ファン出力の圧力計はPnv = 320Paの過圧を示します。排気された空気の流量計は、Q = 500m3 / hの値を示します。ファンで消費される電力Nは0.08kWで、その軸の回転速度nは1000rpmです。計算では、空気密度ρが1.2kg/m3と仮定されます。
課題：
ファンの効率と発生する圧力を計算します。
解決策：
最初に、吸引パイプおよび排出パイプにおける空気の移動速度を計算します。体積流の方程式から速度ωの値を計算します。
Q = f∙ω
f = (π∙d2)/4パイプの断面積。従って：
ω = Q/f = (Q∙4)/(π∙d2)
ωв = Q/f = (Q∙4)/(π∙dv2) = (500∙4)/(3600∙3,14∙0,22) = 4,4 m/s
ωн = Q/f = (Q∙4)/(π∙dn2) = (500∙4)/(3600∙3,14∙0,242) = 3,1 m/s
吐出パイプと吸入パイプの空気速度並びにファンの入口と出口における圧力を調べることにより、次の式に従ってファンの圧力Pを計算できます。
P = (Pnv+(ωn2∙ρ)/2) – (Pvv+(ωv2∙ρ)/2) = (320+(3,12∙1,2)/2) – (-200+(4,42∙1,2)/2) = 514 Pa
出力計算式で表して、ファン効率ηの値を計算します。
N = (Q∙P)/(1000∙η)
η = (Q∙P)/(1000∙N) = (500∙514)/(3600∙1000∙0.08) = 0,9
ファンの効率は0.9、圧力は514 Paです。
条件：
540PaのP1の過圧での窒素貯蔵タンクがあります。気体は、吸引ラインによって貯蔵タンクに接続され、排出圧力パイプによって装置に接続されたファンによって、P2の1000Paの過剰圧力で装置に供給され、その圧力損失はそれぞれPpv = 120PaおよびPpn = 270Paです。排出パイプでは、気体流は10m/sの速度ωで移動します。計算するときは、窒素密度ρを1.17 kg/m3とします。
課題：
ファンによって作られる圧力を計算します。
解決策：
吸引点および吐出点の差圧ΔPは次のようになります。
∆P = P2-P1 = 1000-540 = 460 Па
吸排気パイプのPbob総損失は次のようになります。
Ppob = Ppv+Ppv = 120+270 = 390 Pa
速度圧力Pcは、次の式で計算します。
Pс = (ω2∙ρ)/2 = (102∙1,17)/2 = 59 Pa
上記の値がわかると、次の式に従ってファンが作成した圧力Pを計算できます。
P = ∆P + Ppob + Ps = 460 + 390 + 59 = 909 Pa
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