五、風機原理及操作實務

(一)、風機基本原理

風機在農產加工的應用包括乾燥、通風、加熱、冷卻、抽吸、舉昇及運輸等。在這些過程和其他與農業相關的活動上,風機的使用正與日俱增,風機成本的考量也變得愈來愈重要。因此,當人們在選擇安裝風機時,應將經濟因素列入考慮,不僅考慮初始投資成本,操作成本更應納入;就風機之使用年限作一全程的考量是必要的。


1. 風機的定義

風機即是空氣泵,是一種能產生壓差造成空氣流動的機器。風機的葉片對空氣做功,產生的靜壓與動壓隨風機型式的不同而異,其分類一般以通過葉片的氣流方向為準,分成離心式和軸流式兩種。軸流式風機一般又分成螺旋槳型風機( Propeller Fan )、 輸送管型風機( Duct Fan )、風車葉瓣型軸流風機( Vane Axial Fan )和圓盤型風機( Disc Fan )等四種。螺旋槳型風機用於低靜壓下移動大量空氣,大多數的設施(溫室、禽畜舍)通風系統皆使用此種風機。離心式風機則用於高靜壓系統,如穀倉通風與乾燥中所用之風機即屬此類型。


2. 風機的測試

風機的唯一目的就是要移動空氣, 所以廠商標定該風機的通風量值的正確與否便非常重要。 在美國,很多製造廠商會依照「通風及空調協會」( Air Moving and Conditioning Association , AMCA )所公佈的 120 號標準測試程序來檢驗,由於標準中詳細地規範測試各類型風機的程序和測試系統之設置辦法, 是以廠商所提供該風機之性能表應是可靠的; 又由於所有風機皆是以同一套標準作測試,所以其分級頗為公平; 即使風機來自於不同製造商,類型也不盡相同,但是還能夠訂出等級,並得出風機之性能資料。 本省的廠商所公佈的資料(若有)則較缺乏此種公信力。


3. 風機定律

除了由廠商提供的風機資料外, 幾何形狀相似的風機其彼此間的性能關係亦可透過風機定律來加以描述; 涉及的變數包括風機的大小,旋轉速率,體積風量率,靜壓,馬力和機械效率等。 當某系統需要改變風機大小時,風機定律提供吾人一有用的工具以決定所需的風機類型。 給定一新的風機轉速,某風機之新的工作點亦可透過風機定律求出。 體積流量率 (CFM) 與風機轉速 (N) 成正比, 靜壓 (SP) 與風機轉速之平方成正比,馬力 (HP) 則與風機轉速之三次方成正比。 此些定律以方程式表示如下:

    CFM2 = CFM1 * (N2/N1)

    SP2 = SP1 * (N2/N1)2

    HP2 = HP1 * (N2/N1)3

上述公式中下標 2 代表新的工作點,譬如:N2代表新的轉速,CFM2代表新的風量率。上述公式僅適合相同尺寸的風機間之比較,若風機尺寸大小不同,則上述之風機定律應予以修正如下:

    CFM2 = CFM1 * (N2/N1) * (D2/D1)3

    SP2 = SP1 * (N2/N1)2 * (D2/D1)2

    HP2 = HP1 * (N2/N1)3 * (D2/D1)5

上述風機定律在使用上有其限制, 一般 D2/D1 及 N2/N1 及兩者之乘積均以不超過 3 為原則。


4. 風機的效率

自從風機被大量應用在溫室與禽畜舍的環境管理上之後, 此種通風設備便成為耗電量最大的裝置。 所以在您打算買新的風機,需找最有效率的來買(除非這些風機並不常用到), 高效率的風機雖然較貴,但在短短數年內,光從電費的節省上通常即可回收。

風機效率( Efficiency )又名通風效率評估值(Ventilating Efficiency Rating, VER ), 早期習用單位為 CFM/W, 現多採用m3/s-kW。 風機的 VER 值大約在 10 至 20 CFM/W 或 4.72 至 9.44m3/s-kW 之間, 常用者大部分在 12 至 13 CFM/W 或 5.66 至 6.14m3/s-kW 之間。 VER 值和能源效率評估值(Energy Efficiency Rating, EER )類似,EER 值可用來評估冷卻/冷凍設備之性能, 其意義為每小時所能帶走的熱量除以每千瓦的電力輸入,單位為 BTU/kWh。

假設有四型直徑皆為 36 英吋( 91.44mm )的風機, 使用馬達均為 0.5 馬力,通風量皆為 10,000 CFM ( 4.72 m3/s )。它們的VER 值如表 23 所示。VER 值較高者,效率較佳,但也較貴,假設 D型風機之售價比 A, B 及 C 型每台分別便宜 1000, 1500 與 2000元;假設有一座連棟設施需要的最大通風率為 100,000 CFM。該設施需配備有前述之風機十台, 假設該種風機在一年內平均有 35% 的時間需維持運轉以達通風降溫之效果。假設電費計算方式為每千瓦小時(度) 1 元,請問那一種風機較值得買?以A型風機為例, 計算其每一年所用的全部能量為 21900 千瓦小時, 以下簡單說明計算步驟:

    (1) 需要瓦數  = 所需之通風量/效率

           = 100000/14 = 7142.857 W

    (2) 年使用時間 = 全年時數 x 使用比例

           = 0.35x24x365 = 3066 hr

    (3) 每年使用能量= (1) x (2) / 1000 = 21900 kwhr

表 23. 四型風機之經濟評估
型號風機效率cfm/watt每年使用之能量, kwh額 外 之投資金額每年節省之電費節省之電費佔投資之比回收年限
14.02190010000 元2600 元26%3.85 年
14.62100015000 元3400 元22.6%4.42 年
19.11610020000 元8400 元42%2.38 年
12.9245000 元0 元0%

表 23 中第三行所示之值乘上每度之電費即為4種不同型式之風機每年運轉的費用。C型和D型風機每年之電費便差了 8400 元,此為十台風機操作成本之差(因為計算時以總風量計算),為額外投資的 42 %。 在不考慮電費計算方式改變,不考慮通貨膨脹,銀行利率等因子,且假設使用壽命相同的情況下,此投資可望在三年內回收(2000 x 10 /8400 = 2.38 )。 且若持續使用 10 年,將可節省八萬四千元的電費。

節約能源即是節省成本,不是嗎? 通常效率較高的風機有較優的結構品質,因此其壽命也比效率較低的風機要來的長;所以其所能節省的費用可能會比上面所算出來的值要來的高。

前述風機在一年內平均有 35% 的時間需維持運轉係以溫室為例, 若是禽畜舍則風機在一年內需運轉更長的時間,假設為 60 %,則表 23 中所示的運轉費用都應乘以 1.7 倍( 60 / 35 )。再者,若電費為每度 n 元,則表 23 中所示的費用都應乘以 n, 且若該設施所需之最大通風率為 m x 100,000 CFM,則表 23 中所示的費用都應再乘以 m。


5. 靜壓

由於氣流需通過進氣通風口、水牆、排氣通風口、風機的安全防護柵等,是以有阻抗的產生。為了克服阻抗,風機在室內與室外之間產生壓差,即為靜壓。由於設施內的靜壓通常很小,所以其大小在早期的歐美一般以多少英吋的水柱高為單位。一英吋的水柱壓力可支撐水管中一英吋高的水,這個壓力值相當於 248.8 Pa,比 0.04 psi 還小。 通常,設施中排氣風扇在運轉時所抵抗的靜壓尚小於一英吋,若風機與一塑 膠軟管連接,則其靜壓值為 0.2 至 0.5 吋水柱壓。瞭解在此靜壓值下,風機所能傳送的風量是很重要的,當靜壓值愈高,阻抗愈大,風機所能傳送的空氣量也就愈少。 一般阻抗為 0.1 吋水柱靜壓的風機所能傳送的風量,大約是在沒有阻抗環境下的 80 %。因此,假如一風扇在沒有阻抗時之通風量為 10000 CFM (通常廠商提供該風機的資料即為此值),那麼有 0.1 吋水柱靜壓的風機,其通風量便只有 8000 CFM。(假設皮帶有適度的張緊度且風機在正常的轉速下運轉)


6. 風機產生的噪音

風機的噪音音量與風機的設計、風量率、靜壓及效率等相關。在風機系統的設計上,首先要決定使用何種類型的風機,其次便是要找出最有效率的風機。效率最高的風機通常也是最安靜的風機,低的出口風速並不保證一定能安靜的運轉。

對不同類型的風機,以旋轉速率作為比較噪音大小的標準是不正確的。不同類型風機作噪音比較的唯一有效標準是實際測量產生的噪音值(音貝)。必需在相同的給定靜壓、相同的風量率條件下,量測實際產生的噪音值,才能得出公平的比較。由製造廠商提供之風機基本資料中亦應包括風機所會產生之噪音音貝值。


(二)、風機的選擇、檢查和維護

1. 風機的選擇

在選擇一台風機時,應考慮下列之所有因子,此些因子決定應該選擇何種類型的風機和其尺寸大小。


  1. 單位時間所需移動的空氣量
  2. 靜壓 ─ 估計的系統阻抗和可能的變化量
  3. 允許用來安裝風機的可用空間大小
  4. 許可的噪音值
  5. 效率─在一給定的靜壓下,選擇能傳送所需的空氣流量而消耗馬力為最小之風機
  6. 經濟上的考量

當所需傳送的空氣量為已知,風機的選擇應基於靜壓之大小,雖然所需的空氣量能明確的計算出來,但所需的靜壓卻只能估計個大概。就大部份設施而言, 系統阻抗(靜壓值)大約在 0.1 至 0.15 吋水柱壓力。當風機與水牆配合使用時,要記得由水牆製造商處得到空氣通過水牆之靜壓降資料。此為系統增加之靜壓值。某些新型水牆比傳統的白楊木質水牆有較高的靜壓降。

在某給定之風量條件下,若系統的實際壓力需求為已知,則系統之特性曲線可透過計算求得。就大部份的系統而言,通風系統之特性曲線形狀如圖 34 所示,它的起點在風量與靜壓皆為零之處,因靜壓隨風量的平方而變化,所以曲線形狀為一拋物線。

將風機置於開放空間(系統無阻抗),則靜壓值為 0;將風機置於密閉空間,則系統內無空氣流動,靜壓值趨近無限大。風量的變化可透過轉速之調整而得。將風機置於一廣泛的風量與靜壓測試範圍下可得出風機的性能曲線,如圖 35 所示。

圖 35. 風機性能曲線

大多數廠商並不提供其所售風機的 VER 值, 這其實是很不負責的事, 你能想像賣冰箱與冷氣的不告訴你 EER 值或冷涷噸數嗎?您應該和廠商聯繫, 詢問風機之 VER 值或相關資料,此舉除了能幫助您找到最有效率的風機之外,亦能夠督促製造業採行一致的能量標準,使大眾能輕易的得知所欲購買的風機的一些基本資料。 儘管 VER 值不易得到,仍有一些方法可幫助您找到高效率的風扇,簡列如下:

  1. 一般而言,大型風機之效率比小型者高。在每單位輸入功率中,風機葉片大者所能移動的空氣量也愈多。
  2. 在一固定的空間中,使用數個大型風機的整體效率會比使用許多個小型風機的整體效率要高。
  3. 直徑相同的風機,馬達較小的風者通常效率較高。
  4. 具可變速馬達的風機通常效率最好,但也最貴,且一般皆大於0.5馬力,市面上很少看到低於 0.5 馬力具可變速馬達的風機。在所有可變速的馬達中,兩段電容式的效率為最好。

圖 36. 通風系統工作點

如圖 36 所示,將風機性能曲線和通風系統特性曲線畫在同一張圖上,這兩條曲線的交點即是風機在此系統下能夠運轉的唯一工作點。由於系統的靜壓值只是個概略的估計值,所以應選擇一個能夠在極限值內輕易改變風機風速的驅動裝置。


圖 37. 三種不同類型風機之性能曲線示意圖,其中:1. 離心式,2.風車葉瓣式,3. 螺旋槳式

如圖 37 所示為三種不同典型的風機的性能曲線,其中編號?ぇ者為離心式風機,編號?え者為風車葉瓣型風機,編號?ぉ者為螺旋槳型風機。 這些曲線顯示當工作點移至最高點 (A 點 ) 之右側時靜壓增加的結果其風量率反而減少。風機特性曲線中的最高壓力點代表著在該點運作的風機為最有效率,也最為安靜。風機絕對不要在最高壓力點之左側狀態點運轉,否則通過葉片的氣流將會不穩定,結果造成靜壓的變動並產生噪音。

大部份的風機製造廠商並不會在其產品型錄或廣告上提供風機之性能曲線,但是他們應該會提供風機在最高壓力點右側之靜壓與風量資料。 如表 24 所示為三種可以在每分鐘傳送 10000 立方英呎空氣量的風機之性能表。

表 24. 三種風機之性能表
-葉片直徑Free Air1/8吋靜壓1/4吋靜壓3/8吋靜壓風機轉速RPM馬達馬力
風機 130吋102009200740043006403/4
風機 236吋1170010220869075606501
風機 354吋291002230014100104003852

在沒有靜壓之下 ( 無系統阻抗 ),風扇 1 之風量率為 10200 cfm,但在 1/8 英吋水柱之靜壓下, 風量率減為 9200cfm,當靜壓值增至3/8 吋水柱,風量率更降到 4300cfm。

風機 2 在 1/8 吋水柱靜壓下之風量率為 10220cfm, 3/8 吋水柱靜壓下則降至 7560 cfm。

風機 3 在靜壓由 0 至 3/8 吋水柱範圍內, 其風量率皆遠超過10000 cfm。只有在 3/8 吋靜壓下為 10400 cfm。如果你的系統靜壓為1/8 吋水柱, 風量率的要求為 10000 cfm,則風機 2 是適當的選擇,風機 1 所能輸送之空氣量明顯的不夠,風機 3 則又過量。

表 25 為兩種風機之性能表, 此兩種風機在靜壓為 1/8 英吋水柱時之風量率皆為接近 10000 cfm。 就設施通風而言,風機 2 在各方面皆強過風機 1。由於風機 2 之工作點 (10000 cfm) 較近於其最高壓力點, 而風機 1 之工作點位於其最高壓力點之右側頗遠之處,所以風機 2 較有效率,運轉也較安靜, 又風機 1 比風機 2 較為昂貴,因為其尚能在高靜壓下使用,此多餘之功能勢必反映在成本上,又由於本系統不會有高靜壓之現象,所以選風機 2 為適宜。

表 25. 兩種風機之性能表
-Free Air1/8吋靜壓1/4吋靜壓3/8吋靜壓3/4吋靜壓1吋靜壓2吋靜壓3吋靜壓風機轉速RPM馬達馬力
風機 1-103801023010080957092107620552010483
風機 2117001022086907560----6501

當選擇任一廠牌的風機,要特別查明該製造廠商是否根據 AMCA 的標準來測試。否則,其所提供之該風機之性能資料便較不具公信力。一般的優良製造廠商都是使用 AMCA 標準來測試並評估其出產的風機。


2. 風機馬達的選擇

一般而言,當我們根據前面所述之內容選擇一台合適的風機時,風機所需的馬達大小通常可由廠商所提供之資料中查得。就大部分的設施應用而言,由於室內的濕度通常頗高,且有時空氣中灰塵濃度也頗高,所以使用密封的馬達和密封的軸承是絕對必要的。一個密封的馬達可保護線圈不受高濕及灰塵堆積之影響,而縮短使用壽命。

太小的馬達將無法推動葉片到期望的轉速,或者將導致過熱而燒壞。太大的馬達則造成太高的初始投資成本及操作成本,也是划不來。所以選擇適當的馬達配合風機的使用是非常重要的。


3. 風機的檢查和維護

風機的定期檢查是必要的,檢查項目如下:

  1. 軸承是否過熱(加潤滑油或視需要而更換)
  2. 傳動皮帶是否有適當的張力以防止滑動
  3. 風機的轉輪是否處於適當的旋轉狀態
  4. 風機葉片、外殼和百葉窗上是否有灰塵堆積
  5. 設施外是否有會影響風機運轉性能的雜草或灌木滋生

由於灰塵的累積會導致風機運轉不均衡而造成的震動,為了保持葉片的均衡運轉、防止過度震動及有效的移動空氣,風機葉片,外殼及百葉窗上之灰塵均應予以清除;當葉片不均衡時,風機所能移動的空氣量將減少 30-40%。

從節約能源的角度看,維持一台風機正確的運轉與挑選一台有效率的風機是同等重要的。不當的操作情況可能降低風機的效率達 50 %或更多。對某些型式的風機而言,風扇皮帶的調節是所有維護工作中最重要的。皮帶傳動式風扇必須經常調整,才能保證在暑熱的天候中隨時提供最大的通風量;所以其設計上應該設計成很容易被調整。當換裝新風扇或新皮帶時,在運轉兩週後,應重新調整皮帶,因為新皮帶在最初使用時會有一初始的伸長,應將其調回適當的張緊度。

風機沒有運轉時,百葉窗便應緊閉。如此可避免加熱系統(若有)所補充之熱量的散失。當風機在運轉時,百葉窗必須完全打開,否則它們將會阻礙來自設施的氣流。一台有此阻流現象的風機需要運轉較長的時間且承受較大的負荷,才能達到所期望的通風冷卻效果,這相對也要花費更多的電力。百葉窗有時會在全開或全關的位置卡住,常常只是需要做點清潔工作或在樞紐處塗上油或去鏽劑即可解決。在風機的抽風流程,任何的阻塞物都會阻礙空氣流;所以室外型百葉窗的風機(百葉窗在風機葉片之外,氣流先通過葉片再經過百葉窗)其效率較室內型百葉窗的風機要低。您可能必須花一些時間去買室內型百葉窗的風機(圖 38 ),因為大部分風機的百葉窗是安裝在空氣出口那端。


圖 38. 百葉窗安裝於室內側之風機


配與風機一起使用的百葉窗一般有兩種型式:一為馬達啟動,另一為空氣啟動。空氣啟動型的百葉窗會使氣流降低 20 ∼ 30 %,且其效率也較差,這是因為有部份風力用在百葉窗的開啟上。馬達啟動型的百葉窗則無此問題,因為百葉窗是自動地開啟和關閉。除此之外,馬達啟動型百葉窗不會因百葉窗的骯髒或接合處變得有些黏滯而卡住。

在工作人員可觸及的範圍內,風機周圍應有安全防護柵(鐵絲網)裝置,以防意外的發生。負責的製造商所提供的安全裝置通常是最好的,因為它不會降低太多的風機效率。又,安全防護柵(網)的安裝應設計成容易取下以利維修工作的進行。