Fan Verimi
Alışılagelmedik yüksek işletme maliyetleri, uygun olmayan fan seçimi veya yanlış sistem tasarımının sebebiyet verdiği fanın yetersiz çalışması sonucu ortaya çıkar. Hatalı fan seçimi genellikle olması gerekenden daha büyük, ya da kullanılacağı uygulama için yeterli olan hızdan daha hızlı çalışan bir fanın seçilmesi ile sonuçlanır. Bunun sonucunda da, yüksek enerji maliyetleri, aşırı hava akış gürültüsü ve artan bakım maliyetleri ortaya çıkar. Hatalı sistem tasarımları belirgin hava debisi ve verim kaybına sebebiyet verebilen zayıf fan giriş ve çıkış şartlarından ötürü yüksek işletim maliyetlerine neden olurlar.
Bu makale fan seçimi, hatalı sistem tasarımına engel olacak basınç gereksinim tahmin metodlarını ve uygun giriş çıkış kanalı tasarımı ile fan performansı ve enerji verimini geliştirici yolları tartışmaktadır.
Basit Bir Sistemin Fan Seçim İşlemi
Fan ve havalandırma sistemleri piyasası olgundur. Yani, özel performans gereksinimleri olan ve piyasanın ihtiyaçlarını karşılayabilen geniş yelpazeli fanlar bulunmaktadır.
Örneğin, yüksek hızlarda çalışan dar kanatlı radyal fanlar, düşük hava debisi ve yüksek basınç gereksinimi olan sistemler için uygundur. Aksiyal fanlar genellikle havayı atmosfere açık bir alandan, atmosfere açık başka bir alana taşımakta kullanılırlar. Madde taşıyan sistemlerin fanları genellikle radyal kanatlı fanlardır. Yaşama alanlarında ve evlerde kullanılan fanların tek fazlı motorları vardır.
Bu vaka, genel fan tipi önceden bilinen, basit bir havalandırma sistemini ele almaktadır. Bu demektir ki, farazi fan seçim prosesinde, sadece temel bilgiler ile mevcut fan boyutları ve modelleri, sistem gereksinimlerine uygun belirgin ölçüde küçük bir aralığa indirgenebilir. Bir sistem tasarımcısı, belirli bir işe spesifik olarak uyan, ve maliyetleri en aza indiriken verimi en fazla seviyeye taşıyabilen bir fan seçebilir. Fakat sistem tasarımcısı, sistem tasarımının performansı ne kadar etkilediğinden haberdar olmalıdır.
Fan Terimleri ve Tanımlamaları
Yaygın endüstri terminolojisi önemlidir. Bu yüzden bu bölüm performans tartışılırken kullanılan önemli terimlerin üzerinden geçmektedir.
Şekil 1?de görüldüğü gibi, Düzlem 1, fanın girişi, Düzlem 2 ise fanın çıkışıdır.
Basit bir sistemde, fan seçimi yapılırken dört temel parametreye dikkat edilir. Bu parametreler:
? Kurulum Şekli
? Fan girişindeki yoğunluk,rf
? İstenilen hava debisi, Qf
? İstenilen hava debisini sağlayacak basınç, Psf veya Plt
Bir fan üreticisi, bu paramtereleri kullanarak yukarıda sözü edilen gereksinimleri karşılayan birçok fan tipi ve boyutu sunabilmelidir. Her bir tip ve boyutun kendine özgü çalışma hızı gerekli olan performansa erişebilmesi için güç gereksinimi vardır. Bakım gereksinimleri benzer olan fanlarda, fan seçimi ekonomik bir sorun haline gelmektedir. Örneğin, en iyi seçim, kurulum maliyeti ile günümüze indirgenmiş güç kullanım maliyetlerinin toplamı en düşük olan fan olacaktır.
Kurulum Şekli
Fan terminolojisinde, dört temel giriş ve çıkış kanal düzeni vardır. Fan terminolojisinde bu düzenler Kurulum Şekilleri olarak adlandırılır.
Hatırlanması gereken önemli nokta, kanal tertibinin fan performansını etkilediği gerçeğidir. Fan üreticileri bu gerçekten haberdar olduklarından, söz konusu fanı, kullanılacağı uygulamaya uygun bir Kurulum Şekli ile test ederler.
Yoğunluk
Fanlar sabit debili makinalardır. Yani, hava debisi, fanın hareketlendirdiği gazın yoğunluğu ne olursa olsun sabittir. Buna karşın, basınç ve enerji gereksinimleri, yoğunluk ile doğru orantılı olarak değişir. Kürekle fıstıkları ve taşları bir yerden bir yere taşıyan bir adam düşünün. Attığı malzemeden bağımsız olarak, kürek hep aynı hacimde malzeme taşır. Fakat taşlar, fıstıklardan daha ağırdır (basınç) ve hareket ettirmek için daha fazla efor sarfedilmelidir (güç).
Yoğunluk fan girişinde belirtilir ve genellikle aşağıdaki semboller ile gösterilir:
r1 = rf
Elektronik fan seçim programları fan kataloglarını boydan boya değiştiriyosa da tüm fan kataloglarında fan performansının standart hava koşullarına indirgenmiş değerleri bulunmaktadır. Bu da değişik fan modelleri, boyutları ve üreticileri arasında performans mukayesesini kolaylaştırır.
Hava Debisi
Çoğu zaman, basit hacimsel debi ile belirtilir.
Q 1 = Qf
Bazen, hacimsel debi yerine kütlesel debi kullanılır. Fanın hacimsel hava debisi, fan kütlesel debisinin fan girişindeki yoğunluğa bölünmesi ile bulunur.
m
Qf = ?????
rf
Bazı durumlarda, standart hava debisi belirtilir fakat bu kütlesel hava debisini belirtmenin bir başka yoludur. Eğer standart hava yoğunluğu (1.2kg/m3 veya 0.075lbm/ft3) ise:
Qsrs?dir
Qf = ??????
rf
Fan Basıncı
Yukarıda da değinildiği gibi, iki tip basınçtan söz edilebilir. Fan statik basıncı:
Psf
Veya, fan toplam basıncı:
Ptf
Kullanılacağı yerler bilindiğinde, bu iki değer de fanın montaj edileceği sisteme bağlıdır. Burada iki tip kurulum şeklinden söz edilecektir: B ve D. Fakat ondan önce ve ?nin tam olarak ne anlam geldiği bilinmelidir.
Fan toplam basıncı, fan girişi ve çıkışındaki toplam basınçların farkıdır.
Psf = Ptf - Pvf
Fan statik basıncı ise:
Psf = Ptf - Pvf
Burada Pvf fan hız basıncıdır. Fakat bu denklem, birçok mühendisin aşina olduğu standart denklem Ps = Pt - Pv değildir çünkü:
Pvf = Pv2
Bu da demektir ki:
Psf = Pt2 - Pt1 - Pv2
Bu denklem, sistem tasarımcısına fan basıncının B ve D kurulum şekillerinde fan basıncını belirlemesini sağlar.
Sistem kanal boyutunun fan çıkış boyutu ile çakıştığı ve fan girişinin atmosfere açık olduğu B tipi kurulum şeklinde aşağıdaki denklem geçerlidir:
Psf = Pt2 - Pv2 - Ps2
Fan statik basıncı, sistemin atmosfere çıkışındaki kayıplar da dahil olmak üzere akış yönündeki kayıplar toplamıdır. Panjur derecelendirmeleri, eğer AMCA 500-L? ye uygun olarak yapıldığında, atmosfere çıkış kayıplarını da içermektedir. Bu ilişki, D tipi kurulum şeklinde fan seçimi için genel uygulamanın toplam basınç yerine statik basıncın kullanılmasına sebebiyet vermiş olabilir.
Heating, Piping and Air Conditioning?de yayınlanan ve Barry Graham tarafından yazılan makale ise, D tipi kurulum şekli olan fanlarda fan seçiminde neden toplam basıncın kullanılması gerektiğinin en güzel örneklerinden biridir.
Çıkış ve giriş kanallarının kesit alanlarının, fanın giriş ve çıkış kesit alanları ile eşit olmadığına dikkat edilmelidir. Ayrıca, bu farazi durumda fan giriş ve çıkışlarından sistem kanallarına geçişler tasarlanmamıştır çünkü şu an henüz fan seçimi aşamasındayız. Yukarıda gösterilen kanalların fan girişlerine bir geçişi olması gerektiğinden, yukarıda gösterilen statik basınç, fandan kanala doğru değişim göstericektir. Bu olgunun gerçekleşme sebebi, geçiş kısmında kesit alanının artması veya azalmasına bağlı olarak hızın; dolayısıyla da hız basıncının değişmesidir.
Geçişin yüzeyinden kaynaklanan sürtünmeyi dikkate almadığımızda, değişmeyen tek şey toplam basınçtır. Bu olgu ile gerekli olan fan toplam basıncını belirleyebiliriz.
Ptf = Pt2 - Pt1 = 5.15in.wg -
(-1.88in.wg)=7.03in.wg
Peki bizim örneğimizdeki gerekli fan statik basıncı nedir? Bu sorunun cevabını fanın seçimine kadar bilemeyiz. Fakat fanın çıkış alanını bilmekteyiz. Bu yüzden:
Psf = 7.03in.wg - Pv2
Sistem Etkisi
Bir fanın nominal performansına (üretici tarafından belirtilen ve fanın seçiminde kullanılan) ulaşabilmesi için, fan girişindeki hava akışının, tamamiyle gelişmiş, simetrik ve türbülanssız olması gereklidir. Bu sebepten, çıkış kısmındaki kanal, Şekil 8?de gösterildiği gibi, fan çıkışındaki asimetrik akışın gelişmiş akış haline gelmesine izin veren bir yapıda tasarlanması gereklidir. Bu koşulların karşılanmamasının, fan performansı üzerindeki etkisine, Sistem Etkisi denir.
AMCA Publication 201, Sistemi Etkisini, belirli bir sayıdaki ?sık görülen durumlar? ve bunlardan korunmak için tavsiyeler ile nicelemektedir.
AMCA Publication 201, dirseklerin fan girişinden en az 3 çap uzunluğu kadar uzak olmasını tavsiye etmektedir. Dirseklerin 5 çap uzunluğunda dahi Sistem Etkisi yaratabildiği de unutulmamalıdır.
AMCAPublication 201, fanın çıkış kısmı için ?etkin kanal uzunluğu? terimini tanımlamaktadır. Kanal içi hız 2500fpm veya daha az ise, etkin kanal uzunluğu 2.5 çap uzunluğundadır ve bu değer hız her 1000fpm artışında bir çap uzunluğu kadar artar. Bir radyal fan, çıkışında etkin kanal uzunluğunun %100?üne gereksinim duyarken, bir eksenel fan etkin kanal uzunluğunun %50?sine gereksinim duymaktadır.
Sistem etkisi eğer önlenemiyorsa, AMCA Publication 201, etkinin değerini ölçme yolları sunmaktadır. Aşağıdaki iki sistem örneği, AMCA Publication 201?den alınmıştır.
İlk sistemde (Şekil 9), radyal bir fan, bu fanın çıkışına bağlanmış kısa bir kanal, bu kanalı takiben kesit alanı kanal kesit alanının 10 katı olan bir basınç odası bulunmaktadır.
Basınç kayıplarını havanın akış yönünün tersine doğru incelersek, E noktasından F noktasına kadar havanın hızı 14.4m/s değerindedir ve bu değer 124.5Pa?lık bir hız basıncı anlamına gelmektedir. F noktasında, Pv değeri 124.5Pa, ise 0.0Pa ve 124.5Pa?dır. E yönüne ilerlediğimizde kanalın yüzey sürtünmesinin ve ?nin gitgide düşmesine sebebiyet verdiği görülür. Eğer kanalın kesit alanı kanal boyunca değişmeden devam ediyorsa, sistemin bu kesiminde sabittir.
Basınç odasından, kanala olan ani daralma yüzünden 49.8Pa?lık bir enerji kaybı olmasından ötürü, basınç odasının gereksinimi 921.3Pa; başka bir deyişle:
Basınç odası boyunca D?den E?ye akan hava hızı nispeten daha yavaştır. Basınç odasında Pv 0.0Pa değerindedir ve Ps = Pt = 9.21.3 Pa?dır.
D noktasında, kanaldan basınç odasına geçen hava, değeri tüm Pv?ye eşit olan bir enerji kaybına uğrar. Fan ve basınç odası arasındaki kanal, fan değerlendirme testinde kullanılan değerin aynısı olan, 2.5 eş çap uzunluğundadır. Çıkış kanalındaki Ps değeri, değerlendirme testinde ölçülen değerinin aynısıdır.
Şekil 10?da gösterilen ikinci sistem de, fan çıkışındaki kanal haricinde, ilkinin benzeridir. Fan direkt olarak basınç odasına çalışmakta, bu da Sistem Etkisine sebebiyet vermektedir.
Dikkat edilirse yukarıdaki tablo Sistem Etkisi sebebiyle belirli değerde bir kayıp içermektedir. Sistem Etkisi aşağıdaki gibi hesaplanır.
Bu durumda Akım Alanı (Blast Area)/Çıkış Alanı (Outlet Area)=0.6?dır.
Bu oran sayesinde, uygulanabilir Sistem Etkisi eğrisini AMCA Publication 201 Şekil 8.3?ten bulabiliriz.
Daha sonra Şekil 7.1?deki R eğrisini kullanarak Sistem Etkisinin 149.4Pa olduğunu buluruz.
Sistem Etkisinin bu basit örneğindeki en can alıcı nokta, bu etkinin üstesinden gelmek için harcanan enerjidir. Eğer yukarıdaki sistemler için aynı fanın kullanılabileceğini ve aynı çalışma noktalarının sadece hızın değiştirilmesi ile sağlanabileceğini varsaydığımızda; ikinci sistemdeki Sistem Etkisini yenmek için, ilk sistemin %25?i daha fazla enerji harcamak gereklidir.
Bu değer şu şekilde hesaplanmaktadır: basınç için Fan Kanunu, 149Pa?lık ek Sistem Etkisini yenmek için, fan hızının %8 arttırılmasını gerektirmektedir.
Fandaki basınç değişimi, hızın karesinin değişimi ile doğru orantılıdır. Bu kavrama tersinden bakıldığında:
PsB / PsA )1/2 = (NB / NA)
(1071 / 922)1/2 = 1.08
Fandaki gerekli olan güçteki değişim ise hızın değişiminin kübüne eşittir.
(NB / NA)3 = (HB / HA)
(1.08)3 = 1.25
Okuyucunun bakış açısında, Sistem Etkisi yüzünden ortaya çıkan basınç kaybının büyük gözükmesine neden olarak, örnek verilen sistemlerdeki basınç gereksinimlerinin az olması görülebilir. Fakat, AMCA Publication 201, zayıf tasarlanan sistemlerdeki hava akışı kaybının %45?ler seviyesinde olduğunu belirtmektedir. Fans and Systems?da Bill Cory, bu akış kayıplarının %60?a kadar ulaşabileceğini söylemektedir.
Bu tartışmada gözden kaçırılmaması gereken bir nokta, küçülen mekanik odalar sebebiyle artan fan enerji maliyetleri ile artan döşeme sahası ile yükselen gelirin karşılaştırılması ve ekonomik analizlerin ona göre yapılmasıdır.
Artan Fan Hızı
Bir fanın Sistem Etkisini yenmesi için hızını arttırmadan önce, bu eylemin getirebileceği tehlikelerden haberdar olmak gerekir.
Fanların, fan hızından etkilenen yapısal elemanları vardır. Bu elemanlar, fanın maksimum güvenli hızı geçildiğinde zarar görebilirler. Fanın çalışma hızını arttırmadan önce, fanın maksimum güvenli hızını belirlemek için fan üreticinizle iletişim kurunuz.
Buna ek olarak, yukarıda da gösterildiği gibi, hızdaki en küçük değişimler bile fanın enerjisinde büyük hatalara yol açmaktadır. Hızı arttırmadan önce, yeni fan gücünü hesaplayıp fan motoru ve elektrik donanımının yeterli kapasitede olup olmadığını kontrol edin.
Son olarak, fan hızı arttırlıldığında, fanın gürültüsü haricinde, fittingslerden gelen gürültü ve kanal sızdırması artmaktadır.
Kataloglar
AMCA Certified Ratings Programında, fan verilerinin müşteriye sunulmasının standartlaştırılması için büyük bir efor sarfedilmiştir. Bu programda sunulan veriler müşterilerin sistemleri için en uygun fanı seçmelerini kolaylaştırmaktadır. Böylece, verilerin ve sistemlerine nasıl uygulanacağının anlaşılması soğrumluluğu müşteriye ait olmaktadır. Aşağıdaki veriler AMCA Certified Ratings Programı tarafından üreticilerden istenilen verilerdir..
Kurulum Şekli
Üretici fanın test edilmesi aşamasında hangi kurulum tipini kullandığını belirtmelidir. Eğer fan, test edildiği kurulum tipinden farklı bir şekilde kurulup kullanılırsa, Sistem Etkisi ile fan performansında değişiklik olabilir.
Basınç
Kanallı sistemlere kurulmuş fanlar için, katalogta hem hem de belirtilmelidir. Kanala kurulmamış olan fanlar için katalogta Ps belirtilir.
Aksesuarlar
Birçok fan, aksesuarlarının etkisi hesaba katılmdan değerlendirilmektedir. Eğer bir fan aksesuarı hava akımı içinde ise, bu aksesuarın fan performansındaki etkisi göz önüne alınmaldır. Fan üreticisi bu verileri sağlayabilmelidir.
Tahrik ve Aktarma Kayıpları
Fanın düzenine göre, bu veriler katalogda bulunabilir veya bulunmayabilir. Fanın düzeni gerektirdiğinde ve bu değerler ona rağmen katalogda bulunmadığında, bu kayıplar katalogda belirtilen güce eklenmelidir.
Güvenlik Faktörü
1997?deki United States Energy Department (Birleşik Devletler Enerji Departmanı) çalışması, bina sistemlerindeki fanların yaklaşık olarak % 60?ının gereğinden fazla büyük seçildiğini göstermektedir. Bu fenomeni ortaya çıkaran en önemli sebep, güvenlik faktörlerinin eklenmesidir. Sistem tasarımcıları, bazen sistem üzerindeki belirsizlikleri kompanse edebilmek için, fanın güç gereksinimlerine güvenlik faktörü eklemektedirler.
Eğer bir fan seçiminde güvenlik faktörü dahil edildiyse, bu fanın en iyi verim noktasında değil de (Şekil 14, Nokta 1), Nokta 2?de çalışacağı anlamına gelmektedir. Nokta 2?nin daha gürültülü olması muhtemeldir, ve bazı fan tiplerinde ise kararsız bir çalışma noktası olabilir.
Güvenlik faktörlerinin kullanımı, öngörülen yüksek basınç gereksinimlerini karşılamak için fanların olması gerekenden daha büyük seçilmesine sebebiyet vermektedir. Bu da artan ilk maliyetler ve bunu takip eden düşük fan performansının sebep olduğu maliyetlere neden olur.
Sonuç
Sistemin verimi, sistem içerisindeki verim bileşenlerinin kombinasyonudur:
hoverall = hFxhTxhMxhc
hoverall =Toplam verim
hF =fan, hF = hSExhcatalog
hT =Aktarma
hM =Motor
hC =Kontrol Sistemi
hSE =Sistem Etkisi, Sıfır Sistem Etkisi
hcatalog = Katalog fan verimi, uygun fan seçiminden etkilenir.
Toplam fan verimi enerji tüketiminin değerlendirilmesinde birincil verimdir. Fan enerji tüketiminin azaltılması konusunda çalışıldığında bunun sistem üzerindeki etkisinin göze alınması gereklidir.
