牙刷消毒器五、风机原理及操作实务 (一)、风机基本原理 风机在农产加工的应用包括干燥、通风、加热、冷却、抽吸、举升及运输等。在这些过程和其它与农业相关的活动上，风机的使用正与日俱增，风机成本的考虑也变得愈来愈重要。因此，当人们在选择安装风机时，应将经济因素列入考虑，不仅考虑初始投资成本，操作成本更应纳入；就风机之使用年限作一全程的考虑是必要的。 1. 风机的定义 风机即是空气泵，是一种能产生压差造成空气流动的机器。风机的叶片对空气做功，产生的静压与动压随风机型式的不同而异，其分类一般以通过叶片的气流方向为准，分成离心式和轴流式两种。轴流式风机一般又分成螺旋桨型风机（ Propeller Fan ）、 输送管型风机（ Duct Fan ）、风车叶瓣型轴流风机（ Vane Axial Fan ）和圆盘型风机（ Disc Fan ）等四种。螺旋桨型风机用于低静压下移动大量空气，大多数的设施（温室、禽畜舍）通风系统皆使用此种风机。离心式风机则用于高静压系统，如谷仓通风与干燥中所用之风机即属此类型。 2. 风机的测试 风机的唯一目的就是要移动空气， 所以厂商标定该风机的通风量值的正确与否便非常重要。 在美国，很多制造厂商会依照「通风及空调协会」（ Air Moving and Conditioning Association ， AMCA ）所公布的 120 号标准测试程序来检验，由于标准中详细地规范测试各类型风机的程序和测试系统之设置办法， 是以厂商所提供该风机之性能表应是可靠的； 又由于所有风机皆是以同一套标准作测试，所以其分级颇为公平； 即使风机来自于不同制造商，类型也不尽相同，但是还能够订出等级，并得出风机之性能数据。 本省的厂商所公布的资料（若有）则较缺乏此种公信力。 3. 风机定律 除了由厂商提供的风机数据外， 几何形状相似的风机其彼此间的性能关系亦可透过风机定律来加以描述； 涉及的变量包括风机的大小，旋转速率，体积风量率，静压，马力和机械效率等。 当某系统需要改变风机大小时，风机定律提供吾人一有用的工具以决定所需的风机类型。 给定一新的风机转速，某风机之新的工作点亦可透过风机定律求出。 体积流量率 (CFM) 与风机转速 (N) 成正比， 静压 (SP) 与风机转速之平方成正比，马力 (HP) 则与风机转速之三次方成正比。 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 上述公式中下标 2 代表新的工作点，譬如：N2代表新的转速，CFM2代表新的风量率。上述公式仅适合相同尺寸的风机间之比较，若风机尺寸大小不同，则上述之风机定律应予以修正如下： CFM2 = CFM1 * (N2/N1) * (D2/D1)3 SP2 = SP1 * (N2/N1)2 * (D2/D1)2 HP2 = HP1 * (N2/N1)3 * (D2/D1)5 上述风机定律在使用上有其限制， 一般 D2/D1 及 N2/N1 及两者之乘积均以不超过 3 为原则。 4. 风机的效率 自从风机被大量应用在温室与禽畜舍的环境管理上之后， 此种通风设备便成为耗电量最大的装置。 所以在您打算买新的风机，需最有效率的来买（除非这些风机并不常用到）， 高效率的风机虽然较贵，但在短短数年内，光从电费的节省上通常即可回收。 风机效率（ Efficiency ）又名通风效率评估值（Ventilating Efficiency Rating, VER ）， 早期习用单位为 CFM/W， 现多采用m3/s-kW。 风机的 VER 值大约在 10 至 20 CFM/W 或 4.72 至 9.44m3/s-kW 之间，酒瓶盖 常用者大部分在 12 至 13 CFM/W 或 5.66 至 6.14m3/s-kW 之间。 VER 值和能源效率评估值（Energy Efficiency Rating, EER ）类似，EER 值可用来评估冷却／冷冻设备之性能， 其意义为每小时所能带走的热量除以每千瓦的电力输入，单位为 BTU/kWh。 假设有四型直径皆为 36 英吋（ 91.44mm ）的风机， 使用马达均为 0.5 马力，通风量皆为 10,000 CFM （ 4.72 m3/s ）。它们的VER 值如表镍磷合金镀 23 所示。VER 值较高者，效率较佳，但也较贵，假设 D型风机之售价比 A， B 及 C 型每台分别便宜 1000， 1500 与 2000元；假设有一座连栋设施需要的最大通风率为 100,000 CFM。该设施需配备有前述之风机十台， 假设该种风机在一年内平均有 35% 的时间需维持运转以达通风降温之效果。假设电费计算方式为每千瓦小时（度） 1 元，请问那一种风机较值得买？以Ａ型风机为例， 计算其每一年所用的全部能量为 21900 千瓦小时， 以下简单说明计算步骤： (1) 需要瓦数 ＝ 所需之通风量／效率 ＝ 100000/14 = 7142.857 W (2) 年使用时间 ＝ 全年时数 x 使用比例 ＝ 0.35x24x365 = 3066 hr (3) 每年使用能量＝ (1) x (2) / 1000 = 21900 kwhr
表 23 中第三行所示之值乘上每度之电费即为４种不同型式之风机每年运转的费用。Ｃ型和Ｄ型风机每年之电费便差了 8400 元，此为十台风机操作成本之差（因为计算时以总风量计算），为额外投资的 42 %。 在不考虑电费计算方式改变，不考虑通货膨胀，银行利率等因子，且假设使用寿命相同的情况下，此投资可望在三年内回收（2000 x 10 /8400 = 2.38 ）。 且若持续使用 10 年，将可节省八万四千元的电费。 节约能源即是节省成本，不是吗? 通常效率较高的风机有较优的结构质量，因此其寿命也比效率较低的风机要来的长；所以其所能节省的费用可能会比上面所算出来的值要来的高。 前述风机在一年内平均有 35% 的时间需维持运转系以温室为例， 若是禽畜舍则风机在一年内需运转更长的时间，假设为 60 %，则表 23 中所示的运转费用都应乘以 1.7 倍（ 60 / 35 ）。再者，若电费为每度 n 元，则表 23 中所示的费用都应乘以 n， 且若该设施所需之最大通风率为 m x 100,000 CFM，则表 23 中所示的费用都应再乘以 m。 5. 静压 由于气流需通过进气通风口、水墙、排气通风口、风机的安全防护栅等，是以有阻抗的产生。为了克服阻抗，风机在室内与室外之间产生压差，即为静压。由于设施内的静压通常很小，所以其大小在早期的欧美一般以多少英吋的水柱高为单位。一英吋的水柱压力可支撑水管中一英吋高的水，这个压力值相当于 248.8 Pa，比 0.04 psi 还小。 通常，设施中排气风扇在运转时所抵抗的静压尚小于一英吋，若风机与一塑 胶软管连接，则其静压值为 0.2 至 0.5 吋水柱压。了解在此静压值下，风机所能传送的风量是很重要的，当静压值愈高，阻抗愈大，风机所能传送的空气量也就愈少。 一般阻抗为 0.1 吋水柱静压的风机所能传送的风量，大约是在没有阻抗环境下的 80 ％。因此，假如一风扇在没有阻抗时之通风量为 10000 CFM （通常厂商提供该风机的数据即为此值），那么有 0.1 吋水柱静压的风机，其通风量便只有 8000 CFM。（假设皮带有适度的张紧度且风机在正常的转速下运转） 6. 风机产生的噪音 风机的噪音音量与风机的设计、风量率、静压及效率等相关。在风机系统的设计上，首先要决定使用何种类型的风机，其次便是要出最有效率的风机。效率最高的风机通常也是最安静的风机，低的出口风速并不保证一定能安静的运转。 对不同类型的风机，以旋转速率作为比较噪音大小的标准是不正确的。不同类型风机作噪音比较的唯一有效标准是实际测量产生的噪音值（音贝）。必需在相同的给定静压、相同的风量率条件下，量测实际产生的噪音值，才能得出公平的比较。由制造厂商提供之风机基本数据中亦应包括风机所会产生之噪音音贝值。 (二)、风机的选择、检查和维护 1. 风机的选择 在选择一台风机时，应考虑下列之所有因子，此些因子决定应该选择何种类型的风机和其尺寸大小。 1. 单位时间所需移动的空气量 2. 静压 ─ 估计的系统阻抗和可能的变化量 3. 允许用来安装风机的可用空间大小 4. 许可的噪音值 5. 效率─在一给定的静压下，选择能传送所需的空气流量而消耗马力为最小之风机 6. 经济上的考虑 当所需传送的空气量为已知，风机的选择应基于静压之大小，虽然所需的空气量能明确的计算出来，但所需的静压却只能估计个大概。就大部份设施而言， 系统阻抗（静压值）大约在 0.1 至 0.15 吋水柱压力。当风机与水墙配合使用时，要记得由水墙制造商处得到空气通过水墙之静压降数据。此为系统增加之静压值。某些新型水墙比传统的白杨木质水墙有较高的静压降。 在某给定之风量条件下，若系统的实际压力需求为已知，则系统之特性曲线可透过计算求得。就大部份的系统而言，通风系统之特性曲线形状如图 34 所示，它的起点在风量与静压皆为零之处，因静压随风量的平方而变化，所以曲线形状为一拋物线。 将风机置于开放空间（系统无阻抗），则静压值为 0；将风机置于密闭空间，则系统内无空气流动，静压值趋近无限大。风量的变化可透过转速之调整而得。将风机置于一广泛的风量与静压测试范围下可得出风机的性能曲线，如图 35 所示。
大多数厂商并不提供其所售风机的 VER 值， 这其实是很不负责的事， 你能想象卖冰箱与冷气的不告诉你 EER 值或冷涷吨数吗？您应该和厂商联系， 询问风机之 VER 值或相关数据，此举除了能帮助您到最有效率的风机之外，亦能够督促制造业实行一致的能量标准，使大众能轻易的得知所欲购买的风机的一些基本数据。 尽管 VER 值不易得到，仍有一些方法可帮助您到高效率的风扇，简列如下： 1. 一般而言，大型风机之效率比小型者高。在每单位输入功率中，风机叶片大者所能移动的空气量也愈多。 2. 在一固定的空间中，使用数个大型风机的整体效率会比使用许多个小型风机的整体效率要高。 3. 直径相同的风机，马达较小的风者通常效率较高。 4. 具可变速马达的风机通常效率最好，但也最贵，且一般皆大于0.5马力，市面上很少看到低于 0.5 马力具可变速马达的风机。在所有可变速的马达中，两段电容式的效率为最好。
如图 36 所示，将风机性能曲线和通风系统特性曲线画在同一张图上，这两条曲线的交点即是风机在此系统下能够运转的唯一工作点。由于系统的静压值只是个概略的估计值，所以应选择一个能够在极限值内轻易改变风机风速的驱动装置。
如图 37 所示为三种不同典型的风机的性能曲线，其中编号? 者为离心式风机，编号? 者为风车叶瓣型风机，编号? 者为螺旋桨型风机。 这些曲线显示当工作点移至最高点 (A 点 ) 之右侧时静压增加的结果其风量率反而减少。风机特性曲线中的最高压力点代表着在该点运作的风机为最有效率，也最为安静。风机绝对不要在最高压力点之左侧状态点运转，否则通过叶片的气流将会不稳定，结果造成静压的变动并产生噪音。 大部份的风机制造厂商并不会在其产品型录或广告上提供风机之性能曲线，但是他们应该会提供风机在最高压力点右侧之静压与风量资料。 如表 24 所示为三种可以在每分钟传送 10000 立方英呎空气量的风机之性能表。
在没有静压之下 ( 无系统阻抗 )，风扇 1 之风量率为 10200 cfm，但在 1/8 英吋水柱之静压下， 风量率减为 9200cfm，当静压值增至3/8 吋水柱，风量率更降到 4300cfm。 风机 2 在 1/8 吋水柱静压下之风量率为 10220cfm， 3/8 吋水柱静压下则降至 7560 cfm。 风机 3 在静压由 0 至 3/8 吋水柱范围内， 其风量率皆远超过10000 cfm。只有在 3/8 吋静压下为 10400 cfm。如果你的系统静压为1/8 吋水柱， 风量率的要求为 10000 cfm，则风机 2 是适当的选择，风机 1 所能输送之空气量明显的不够，风机 3 则又过量。 表 25 为两种风机之性能表， 此两种风机在静压为 1/8 英吋水柱时之风量率皆为接近 10000 cfm。 就设施通风而言，风机 2 在各方面皆强过风机 1。由于风机 2 之工作点 (10000 cfm) 较近于其最高压力点， 而风机 1 之工作点位于其最高压力点之右侧颇远之处，所以风机 2 较有效率，运转也较安静， 又风机 1 比风机 2 较为昂贵，因为其尚能在高静压下使用，此多余之功能势必反映在成本上，又由于本系统不会有高静压之现象，所以选风机 2 为适宜。
当选择任一厂牌的风机，要特别查明该制造厂商是否根据 AMCA 的标准来测试。否则，其所提供之该风机之性能数据便较不具公信力。一般的优良制造厂商都是使用 AMCA 标准来测试并评估其出产的风机。 2. 风机马达的选择 一般而言，当我们根据前面所述之内容选择一台合适的风机时，风机所需的马达大小通常可由厂商所提供之数据中查得。就大部分的设施应用而言，由于室内的湿度通常颇高，且有时空气中灰尘浓度也颇高，所以使用密封的马达和密封的轴承是绝对必要的。一个密封的马达可保护线圈不受高湿及灰尘堆积之影响，而缩短使用寿命。 太小的马达将无法推动叶片到期望的转速，或者将导致过热而烧坏。太大的马达则造成太高的初始投资成本及操作成本，也是划不来。所以选择适当的马达配合风机的使用是非常重要的。 3. 风机的检查和维护 风机的定期检查是必要的，检查项目如下: 1. 轴承是否过热(加润滑油或视需要而更换) 2. 传动皮带是否有适当的张力以防止滑动 3. 风机的转轮是否处于适当的旋转状态 4. 风机叶片、外壳和百叶窗上是否有灰尘堆积 5. 设施外是否有会影响风机运转性能的杂草或灌木滋生 由于灰尘的累积会导致风机运转不均衡而造成的震动，为了保持叶片的均衡运转、防止过度震动及有效的移动空气，风机叶片，外壳及百叶窗上之灰尘均应予以清除；当叶片不均衡时，风机所能移动的空气量将减少 30-40%。 从节约能源的角度看，维持一台风机正确的运转与挑选一台有效率的风机是同等重要的。不当的操作情况可能降低风机的效率达 50 ％或更多。对某些型式的风机而言，风扇皮带的调节是所有维护工作中最重要的。皮带传动式风扇必须经常调整，才能保证在暑热的天候中随时提供最大的通风量；所以其设计上应该设计成很容易被调整。当换装新风扇或新皮带时，在运转两周后，应重新调整皮带，因为新皮带在最初使用时会有一初始的伸长，应将其调回适当的张紧度。 风机没有运转时，百叶窗便应紧闭。如此可避免加热系统（若有）所补充之热量的散失。当风机在运转时，百叶窗必须完全打开，否则它们将会阻碍来自设施的气流。一台有此阻流现象的风机需要运转较长的时间且承受较大的负荷，才能达到所期望的通风冷却效果，这相对也要花费更多的电力。百叶窗有时会在全开或全关的位置卡住，常常只是需要做点清洁工作或在枢纽处涂上油或去锈剂即可解决。在风机的抽风流程，任何的阻塞物都会阻碍空气流；所以室外型百叶窗的风机（百叶窗在风机叶片之外，气流先通过叶片再经过百叶窗）其效率较室内型百叶窗的风机要低。您可能必须花一些时间去买室内型百叶窗的风机（图 38 ），因为大部分风机的百叶窗是安装在空气出口那端。
配与风机一起使用的百叶窗一般有两种型式：一为马达启动，另一为空气启动。空气启动型的百叶窗会使气流降低 20 ～ 30 ％，且其效率也较差，这是因为有部份风力用在百叶窗的开启上。马达启动型的百叶窗则无此问题，因为百叶窗是自动地开启和关闭。除此之外，马达启动型百叶窗不会因百叶窗的肮脏或接合处变得有些黏滞而卡住。 在工作人员可触及的范围内，风机周围应有安全防护栅（铁丝网）装置，以防意外的发生。负责的制造商所提供的安全装置通常是最好的，因为它不会降低太多的风机效率。又，安全防护栅（网）的安装应设计成容易取下以利维修工作的进行。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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