พัดลมที่มีขนาดกำลังม้าสูงทำให้ค่าใช้จ่ายทั้งหมดสูง (ค่าใช้จ่ายขณะใช้งานรวมกับค่าใช้จ่ายในการลงทุน)  การออกแบบพัดลมอย่างเหมาะสม จะคำนึงถึงกำลังม้าต่ำสุดของพัดลม   จากข้อเสนอแนะในการคำนวณความดันสูญเสียขณะอากาศไหลผ่านอุปกรณ์ต่างในคูลลิ่งทาวเวอร์  และการออกแบบปล่องปล่อยลมด้านบนของตัวคูลลิ่งทาวเวอร์อย่างเหมาะสม  ที่จะต้องนำมาพิจารณาประกอบกัน

 .

ปัจจัยที่มีผลต่อการลดกำลังม้าของพัดลม

1.การออกแบบแผงขยายฟิล์มน้ำที่ให้ความดันลดค่าต่ำ และกำหนดความเร็วลมผ่านแผงขยายฟิล์มน้ำให้มีค่าต่ำและอยู่ในเกณฑ์ของการออกแบบนั้น  จะทำให้ความดันลดผ่านแผงขยายฟิล์มน้ำลดลง  และที่ทางออกของพัดลมนั้นอากาศควรมีเฉพาะความดันสถิตเท่านั้น   ถ้าหากมีความดันความเร็วหลงเหลือออกมา  อาจจะต้องติดตั้งดิฟฟิวเซอร์ตรงปลายปล่องลม

2.เพิ่มระยะพิตช์ (pitch) ของแผงขยายฟิล์มน้ำ  จะช่วยลดความดันลดคร่อมแผงขยายฟิล์มน้ำ

3.เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลมจนถึงจุดที่มีประสิทธิภาพเหมาะสมที่สุด ทำให้ความสูญเสียของเฮดความเร็วลดลง  และกำลังม้าของพัดลมลดลง

4.เพิ่มประสิทธิภาพของพัดลม   โดยออกแบบให้มีใบพัดจำนวนมากขึ้น

สำหรับปัญหาเรื่องเสียง แก้ไขด้วยหนทางที่ง่ายที่สุดคือการลดอัตราเร็วปลายใบพัด (blade–tip speed) รายละเอียดของผลอันนี้ค้นคว้าได้จากร่างที่แก้ไขฉบับใหม่ของ API (American Petroleumn Inst.) ชื่อ "Guideline on Noise"

 .

 .

           ระดับความสูงของการติดตั้งคูลลิ่งทาวเวอร์  เป็นตัวแปรอิสระ 1 ตัว มีผลต่อความหนาแน่นของอากาศ  ดูรูปที่ 1 และอุณหภูมิของอากาศจัดว่าเป็นตัวแปรอิสระอีกตัวหนึ่งเช่นกัน  จะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งของคูลลิ่งทาวเวอร์   สำหรับพัดลมดูดขึ้นนั้นอุณหภูมิของอากาศจัดว่าเป็นตัวแปรถูกเลือกขึ้นเพื่อใช้ออกแบบ

 .

 สี่ตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับการออกแบบคูลลิ่งทาวเวอร์ คือ

1.ปริมาณลมจริง (ACFM) ที่พัดลมสามารถส่งได้

2.ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลม

3.ความดันสูญเสียขณะอากาศไหลผ่านอุปกรณ์ต่างในคูลลิ่งทาวเวอร์  ได้แก่  บานเกล็ดลมเข้า  แผงขยายฟิล์มน้ำ  แผงกันละอองน้ำ  ทางเข้า  ของพัดลม  สิ่งกีดขวางทางเข้าและทางออก  รวมถึงความดันได้คืนในปล่องปล่อยลม

4.อัตราเร็วปลายใบพัด      ในการออกแบบพัดลมนั้น   อัตราเร็วปลายใบพัด สูงสุดคือ 12,000 ft/minสำหรับพัดลมขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 

5 หรือ 6 ft    ถ้าออกแบบให้อัตราเร็วปลายใบพัดลดลงจะช่วยลดมลภาวะของเสียง  ถ้าลดอัตราเร็วปลายใบพัดจาก 12,000 ft/min เป็น 8,000   ft/min ระดับเสียงจากพัดลมจะลดลง 10 db

รูปที่ 1 โนโมกราฟค่าแก้ความหนาแน่นของอากาศ

 .

แนวคิดต่าง ๆ ที่นำมาพิจารณาประกอบการออกแบบพัดลม  ดังต่อไปนี้

1.ในการทำให้อากาศเคลื่อนที่  พัดลมจะต้องเอาชนะความต้านทาน 2 อย่าง วัดออกมาเป็นความดันลดคร่อมพัดลม ดังนี้ อย่างแรก ได้แก่ ความดันความเร็ว  พลังงานส่วนนี้  พัดลมใช้ในการทำให้อากาศเคลื่อนที่ผ่านไปเท่านั้นแต่ไม่ได้เอาชนะความต้านทานของระบบ  อย่างที่สอง  คือความดันสถิต  ความดันสถิตเป็นผลรวมของความดันสูญเสียผ่านบานเกล็ดลม แผงขยายฟิล์มน้ำ แผงกันละอองน้ำ  ความดันสูญเสียตรงทางเข้าของเรือนพัดลม  ความดันสูญเสียขณะไหลผ่านสิ่งกีดขวางตรงทางเข้า  และความดันสูญเสียขณะไหลผ่านสิ่งกีดขวางตรงทางออกปล่องปล่อย

 .

นอกจากนี้การออกแบบใบพัดและดุมใบพัดที่เหมาะสมจะให้การกระจายลมอย่างสม่ำเสมอผ่านใบพัด    การออกแบบใบพัดที่เหมาะสม จะต้องให้ใบพัดมีความกว้างของ chord อย่างเพียงพอ  จะทำให้ความดันความเร็วกระจายคลุมตลอดความยาวของ chord 

 .

2.ปัญหาของพัดลมแบบไหลแนวแกนเพลา ก็คือการเกิดการไหลวน (swir) เป็น tangential deflection ของการไหลทางออกของพัดลมอันเป็นผลมาจากทอร์กหมุนพัดลม   การเลือกออกแบบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของดุมพัดลมอย่างเหมาะสมจะช่วยลด swirl  ลงได้  ปกติแนะนำให้เลือกเส้นผ่านศูนย์กลางของดุมพัดลมอยู่ในช่วง 25-35 %   ของเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดลม

 .

                 - การปรับปรุงชุดขับมอเตอร์พัดลม  สำหรับพัดลมขนาดใหญ่พบว่าประสิทธิภาพของชุดขับ อยู่ระหว่าง 96-98%  การปรับปรุงจึงทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นไม่มากกว่านี้แล้ว ส่วนพัดลมขนาดเล็ก  ขุดขับจะเป็นระบบสายพาน  ประสิทธิภาพของชุดขับอยู่ในช่วงระหว่าง 92-95% ทั้งนี้เนื่องจากการลื่นไถลของสายพาน  สำหรับsynchronous drivesจะช่วยลดปัญหาการลื่นไถลลง   ทำให้ประสิทธิภาพของชุดขับเพิ่มขึ้นอีก 3-4%

                - ระยะเผื่อปลายใบพัดที่มากเกินไป จะทำให้อากาศถูกอัดกลับเข้ามาบริเวณทางเข้าของพัดลม ทำให้ประสิทธิภาพของพัดลมลดลง

                - การเลือกความเร็วลมด้านดูดที่เหมาะสมกับการออกแบบพัดลมสำหรับคูลลิ่งทาวเวอร์ โดยวัดตรงทางเข้าของบานเกล็ดลมของคูลลิ่งทาวเวอร์ สำหรับคูลลิ่งทาวเวอร์แบบดร๊าฟลมดูดไหลสวนทางแนะนำความเร็วลมผ่านบานเกล็ดลมในช่วง  800-1200 ft/min  และแบบดร๊าฟลมดูดไหลขวาง  แนะนำความเร็วผ่านบานเกล็ดลมในช่วง  400-600  ft/min  ถ้าเลือกความเร็วลมมากกว่านี้จะทำให้ประสิทธิภาพพัดลมต่ำ

                 - ถ้ามีความเร็วลมด้านปล่อย  จะทำให้ประสิทธิภาพของพัดลมต่ำลง  ความสูญเสียประสิทธิภาพจะวัดด้วยปริมาณของความดันความเร็ว   สำหรับพัดลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-40 ft จะมีความดันความเร็วในช่วง 0.1-0.2  in-wg   ถ้าหากความดันความเร็วเข้าใกล้ 0.3-0.35 in-wg ในระบบต้องคำนึงถึง Velocity  regain stack

4. การกำหนดปริมาณลมที่เหมาะต่อการออกแบบ   การคำนวณปริมาณลม( ACFM )จากอัตราการไหลโดยมวลของน้ำจากอัตราการไหลโดยปริมาตรในหน่วย GPM  ภายใต้การทำงานของแผงขยายฟิล์มที่อัตราส่วนอัตราการไหล (L/G) ค่าหนึ่งๆ  อย่างไรก็ตามการออกแบบขนาดที่เหมาะสมของพัดลมยังต้องคำนึงถึงความเร็วลมที่ทางเข้าพัดลมอยู่ในช่วงระบุออกแบบ คือตั้งแต่ 1600  จนถึง 2000 fpm   และต้องไม่เกิน 2100 fpm จึงจะได้จุดทำงานที่มีสมรรถนะสูงสุด   หากออกแบบให้อากาศมีความเร็วสูงจนเกินกำหนดดังกล่าว  จะทำให้พัดลมสิ้นเปลืองกำลังม้ามากขึ้น  และมีละอองน้ำสูญเสียโดยปลิวติดไปกับอากาศมากขึ้น   ดังนั้นจึงควรกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด (DF )  พื้นที่การไหลอิสระผ่านพัดลม (net fan area, A ff)  และปริมาณลมระบุออกแบบ (ACFM)  ในค่าต่างๆ ตามตารางที่ 1

 .

ตารางที่ 1 ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด (DF) พื้นที่การไหลอิสระผ่านพัดลม (net fan area, Aff) และปริมาณลมระบุออกแบบ (ACFM)

.

5. เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดลม  เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดลมมีผลต่อสมรรถนะโดยเบื้องต้น  ขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดเป็นตัวกำหนดขนาดของความดันความเร็ว    และ pressure capability ของพัดลม   การออกแบบพัดลมที่เหมาะที่สุดนั้นความดันความเร็วจะอยู่ในช่วง 0.15-0.25 in-wg (คำนวณจากความเร็วลม1600-2000 fpm   ที่ค่าความหนาแน่นของอากาศ 0.068 lb/ft³)   การเลือกออกแบบพัดลมให้มีความดันความเร็วมากจนเกินไป ทำให้ต้องการอัตราการไหลสูงสำหรับพัดลมที่เลือกออกแบบนี้   ผลทำให้สิ้นเปลืองแรงม้าเบรกของพัดลมมากขึ้น  ถ้าหากจำเป็นต้องออกแบบให้พัดลมทำงานเข้ากับความดันความเร็วที่ค่ามากๆ  จะกระทำโดย การเพิ่มจำนวนใบพัด   พร้อมกับการเพิ่ม velocity regain stack ( VR)  เพื่อช่วยแปลงความดันความเร็วเป็น  static pressure capability  กลับคืนมา  ปัจจัยอีกหนึ่งอย่างที่ใช้พิจารณาเลือกออกแบบพัดลมก็คืออัตราส่วนซอลิดิตี (solidity ratio)   อัตราส่วนซอลิดิตีนี้ใช้เปรียบเทียบขีดความสามารถสร้างความดันของพัดลม   อัตราส่วนซอลิดิตีมีค่ามากขึ้นเท่าใด  งานที่ใช้ขับให้พัดลมทำงานจะมีค่ามากขึ้นเท่านั้น วัตถุประสงค์หนึ่งที่ใช้พิจารณาจุดเหมาะที่สุดในการออกแบบคือค่าใช้จ่ายนั่นเอง  การออกแบบที่มีขนาดไม่ได้มาตรฐานอาจส่งผลต่อค่าใช้จ่ายในการลงทุนที่เพิ่มขึ้น (ขนาดมาตรฐานของเส้นผ่านศูนย์กลางพัดลม  ได้แก่ 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 และ 32 ในหน่วย  ft )

.

ในการออกแบบพัดลมแบบไหลแนวแกนเพลาที่นำมาใช้งานในคูลลิ่งทาวเวอร์  โดยทั่วไปจะต้องกล่าวถึงเสมอในด้านของ สมรรถนะของพัดลม(Performance), ประสิทธิภาพของพัดลม (Efficiency), การต้านการกัดกร่อน (Corrosion resistance) และ ปัญหาเรื่องเสียง (Noise) ดังนั้นการออกแบบอย่างเหมาะที่สุด จะมีเป้าหมายของการออกแบบในหลายๆ ด้านดังต่อไปนี้

- เงินลงทุนต่ำที่สุด   กล่าวถึงการเลือกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลม และจำนวนใบพัดที่เหมาะสม

- เลือกขนาดแรงม้ามอเตอร์ต่ำที่สุด โดยพัดลมควรจะมีจุดทำงานเข้าใกล้กับ efficient operating point ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้

- ค่าบำรุงรักษาต่ำที่สุด   การเลือกใช้วัสดุสำหรับทำใบพัดและดุมใบพัดอย่างเหมาะสม  ทนทานต่อการกัดกร่อน  ช่วงเวลาของการใช้งาน และการปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

ข้อมูลที่ใช้ในการออกแบบพัดลมและรายละเอียดอื่นๆ ที่ต้องคำนึงถึง

1.เส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลม หรือ cell-size limitation

2.ปริมาณลมจริง  หรือ ACFMของอากาศ

                3.ความดันสถิตจริง

4.อุณหภูมิของอากาศและระดับความสูง (ความหนาแน่น)

5.ขีดจำกัดของอัตราเร็วที่ปลายใบพัด และอัตราทดห้องเกียร์ (gearbox ratio)

6.ควรจะใช้ velocity regain stack (VR) หรือไม่

7.มีข้อกำหนดระดับเสียงของพัดลมหรือไม่

8.พิจารณาปัญหาการกัดกร่อนที่คาดไม่ถึงหรือไม่

- อุณหภูมิของอากาศและระดับความสูง   เป็นปัจจัยที่มีผลต่อการเลือกพัดลม เนื่องจากขีดความสามารถสร้างความดันและขนาดแรงม้าของพัดลมเปลี่ยนแปลงกับความหนาแน่นของอากาศ   ปกติจะใช้อัตราส่วนความหนาแน่น (density ratio or D.R.) เป็นตัวแก้ค่าจากที่สภาวะมาตร ฐานในการสร้างกราฟการออกแบบพัดลมอยู่ระดับน้ำทะเลและอุณหภูมิของอากาศอยู่ที่ 70 ^oF  ความหนาแน่นของอากาศที่สภาวะมาตรฐาน

.

สมการพื้นฐานที่ใช้คำนวณและออกแบบเลือกขนาดของพัดลม 

• ความสัมพันธ์ระหว่างความดันของอากาศ  

             (ความดันทุกตัวพิจารณาจากอากาศที่มีความหนาแน่นเดียว)

(ความหนาแน่นที่สภาวะมาตรฐาน P _a,STD = 0.075 .........lb | ft³ )

.

เมื่อกำหนดขีดจำกัดในการทำงาน การศึกษาผลของอากาศต่อกำลังม้าเบรกของพัดลมหรือการโมดิไฟย์ชุดขับพัดลม  สิ่งที่ต้องคำนึงถึงอย่างเสมอคือ

                1. ACFM เป็นอัตราส่วนโดยตรงกับอัตราเร็วรอบพัดลม  เปลี่ยนแปลงตามอัตราเร็วรอบยกกำลังหนึ่ง และความดันทั้งหมดของพัดลมเปลี่ยนแปลงตามอัตราเร็วรอบยกกำลังสอง

2. กำลังม้าเบรกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาแน่นของอากาศ

3. กำลังม้าเบรกเปลี่ยนแปลงตามอัตราเร็วรอบยกกำลังสาม

รูปที่ 2 แผนภูมิบอกขีดความสามารถของพัดลม

ในรูปที่ 2 นี้  ใช้หากำลังม้าเบรกของพัดลมที่พิจารณาบนความหนาแน่นมาตรฐาน ( P_a,STD=0.075.......lb | ft³)    ถ้าทราบปริมาณลมที่พัดลมต้องการส่งภายใต้ความดันสถิตที่ทราบค่า  ในที่นี้กำหนด Fan requirement ดังต่อไปนี้

- พัดลมสามารถส่งลมได้ในปริมาณ      ACFM         =     225000 cfm

      - ความดันสถิตของพัดลม                          P_S,ac      =      0.550 in-wg

      - ทำงานที่ระดับความสูง (เหนือระดับน้ำทะเล) 1000 ft   และอยู่ภายใต้อุณหภูมิ 100 ^oF  

            การหาความดันสถิตที่สภาวะมาตรฐาน, P _S,STD

โนโมกราฟในรูปที่ 1  ที่ 100^oF และความสูง 1000 ft อ่านค่าจากสเกลเส้นกลาง

1/Density ratio = 1.097

Density ratio    = 0.911

P _S,STD            = 0.550/0.911 = 0.604  in – wg

               รูปที่2  ที่เส้นกราฟ, P _S,STD = 0.604 in – wg  และ ACFM = 225,000 cfm   ได้จุดตัดของเส้นกราฟนั่นคือ จุดทำงานของพัดลม จากจุดนี้อ่านค่าของกำลังม้าได้ 37.2 hp (ค่าที่อ่านด้จากกราฟเป็นค่าที่คำนวณบนความหนาแน่นของอากาศเท่ากับ และมุมที่ปลายใบพัดอ่านได้ 15.3^o       ดังนั้นที่สภาวะการทำงานจริงนั้น

BHP (ภาวะทำงานจริง)              =            37.2 x 0.911 = 33.8   hp

            การใช้โมโนกราฟ  10 รูป ช่วยคำนวณ

      ในที่นี้กำหนด Fan requirement  ต่อไปนี้

       - พัดลมสามารถส่งลมได้ในปริมาณ             ACFM   =    225000 cfm

 - ความดันสถิตจริง                                     P_S,ac    =   0.550 in-wg

- ทำงานที่ระดับความสูง (เหนือระดับน้ำทะเล)           1000 ft 

 - ภายใต้อุณหภูมิ                                     100 ^oF  

โนโมกราฟที่ 1  แสดงถึงโนโมกราฟใช้หาอัตราส่วนความหนาแน่น  เมื่อทราบระดับความสูงและอุณหภูมิของอากาศ    สำหรับอากาศมาตรฐานจะอยู่ที่ระดับผิวน้ำทะเล  และ 70 ^oF  ที่ระดับความสูง 1000 ft อุณหภูมิ  100 ^oF   อ่านอัตราส่วนความหนาแน่นได้ D.R. = 0.91

โนโมกราฟที่ 3  แสดงถึงโนโมกราฟใช้หาความเร็วลมขณะไหลผ่านใบพัด  เมื่อทราบACFM และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด  ทราบค่า ACFM = 225000 cfm   และเส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลม 14 ft   อ่านได้ความเร็วลม = 1625 fpm

โนโมกราฟที่ 4  แสดงถึงโนโมกราฟใช้หาความดันความเร็วจริง, P_V,ac  เมื่อทราบความเร็วของอากาศจากภาพที่3    และอัตราส่วนความหนาแน่นของอากาศจากความเร็วของอากาศ = 1625 fpm และอัตราส่วนความหนาแน่น = 0.91  อ่านได้ความดันความเร็ว, P_V,ac= 0.151 in – wg จาก

คำนวณความดันทั้งหมด  P_T=P_S+P_V =  0.550+ 0.151 = 0.701 in –wg

โนโมกราฟที่ 6  แสดงถึงโนโมกราฟใช้หากำลังม้าเบรกของพัดลม  เมื่อทราบความดันทั้งหมดจริง  และอัตราการไหลจริงของอากาศ   (โดยพิจารณาจากประสิทธิภาพของมอเตอร์พัดลม 75 %) จาก  P_T = 0.701 in – wg และ ACFM =225000 cfm  อ่านได้กำลังม้าเบรกป้อนเข้า = 32.5 hp

โนโมกราฟที่ 8 แสดงถึงโนโมกราฟใช้หาจำนวนใบพัด   เมื่อทราบความดันทั้งหมดของพัดลม   และความดันต่อใบพัด 1  ใบ ( สำหรับการติดตั้งใหม่  หรือภาวะของสมรรถนะการทำงาน( performance  conditions ) เปลี่ยนแปลงจากที่กำหนดไว้  แนะนำให้เลือกจำนวนใบเท่ากับ 115% ถึง  125 % ของค่าที่อ่านได้จากโนโมกราฟที่ 8 นี้ )

 รูปที่ 3 โนโมกราฟ กำหนดขนาดของพัดลมที่ใช้ในคูลลิ่งทาวเวอร์

โนโมกราฟที่ 9  แสดงถึงโนโมกราฟใช้หาระยะพิตช์ใบพัดบนดุมพัดลมและค่าเป็นจำนวนเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของดุมพัดลม    ถ้าเป็นไปได้ระยะพิตช์ที่เหมาะสมควรมีค่าอยู่ระหว่าง 1.5  ถึง 2.5  เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางดุมพัดลม  จากความเร็วของอากาศ = 1625 fpm และรอบของพัดลม = 273 rpm อ่านได้ระยะพิตช์ = 1.50  เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางดุมพัดล

โนโมกราฟที่ 10 แสดงถึงโนโมกราฟใช้หามุมเบี่ยงเบนบนดุมพัดลม (เป็นมุมที่เบี่ยงเบนออกจากแนวแกนเพลาของพัดลมแนะนำไม่ควรเกิน 45^o) จากระยะพิชต์ = 1.50 และจำนวนใบพัด = 5.7 ใบ   อ่านได้ deflection = 45^o  ซึ่งอยู่ในบริเวณที่ยอมรับได้

ขั้นตอนในการใช้โนโมกราฟทั้ง 10รูป ถ้าพบว่า โนโมกราฟรูปที่ 9 หรือ 10 ไม่ได้อยู่ในบริเวณที่ยอมรับได้ ต้องสมมติตัวแปรใหม่ (อัตราเร็วปลายใบพัด, เส้นผ่านศูนย์กลางของพัดลม, เส้นผ่านศูนย์กลางของดุมพัดลม, จำนวนใบพัด และรอบของพัดลม) แล้วดำเนินขั้นตอนในการใช้โนโมกราฟทั้ง 10 รูปใหม่อีก  จนกว่าจะตรวจสอบพบว่าอยู่ในบริเวณที่ยอมรับได้ในโนโมกราฟรูปที่ 9 หรือ 10

เอกสารอ้างอิง

1. Glass J., Specifying and Rating Fans, Happy Division of Thermal Technology, Inc.

2. Monroe R.C., Fans Key to Optimum Cooling  Tower  Design, Hudson Products Corporation, Houston, Texas, 1974.

3. Burger R., Cooling Tower Technology, (Maintenance, Upgrading  and  Rebuilding), the Fairmont  Press, Inc. 3^rd ed., 1994.