Quạt ly tâm là gì? Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động

Trong thế giới công nghiệp hiện đại, quạt ly tâm đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong nhiều hệ thống thông gió, hút bụi và xử lý khí. Với khả năng tạo ra áp suất cao và di chuyển lượng lớn không khí, quạt hút ly tâm đóng vai trò quan trọng từ các nhà máy sản xuất đến các tòa nhà thương mại. Việc hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại quạt ly tâm sẽ giúp bạn lựa chọn đúng thiết bị phù hợp với nhu cầu sử dụng cụ thể.

Quạt ly tâm là gì?

Quạt ly tâm là một thiết bị cơ khí chuyên dụng sử dụng nguyên lý lực ly tâm để hút và đẩy không khí hoặc các loại khí khác theo một hướng xác định. Khác với quạt hướng trục thông thường, quạt ly tâm có đặc điểm độc đáo là hút khí theo hướng song song với trục quay và thổi khí ra theo hướng vuông góc với trục này.

Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của vật lý: khi guồng cánh quay với tốc độ cao, lực ly tâm sẽ đẩy không khí từ tâm ra phía ngoài, tạo ra một vùng áp suất thấp ở trung tâm và vùng áp suất cao ở rìa ngoài. Chính sự chênh lệch áp suất này giúp quạt có thể hút và đẩy không khí một cách hiệu quả.

Quạt hút ly tâm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống thông gió công nghiệp, hút bụi trong nhà máy, cấp khí tươi cho các tòa nhà, hút khí thải có chứa hóa chất độc hại, và vận chuyển vật liệu dạng bột trong các dây chuyền sản xuất. So với quạt hướng trục, quạt ly tâm có ưu điểm vượt trội về khả năng tạo áp suất cao và hoạt động ổn định trong môi trường có nhiều bụi bẩn.

Cấu tạo của quạt ly tâm

Để thực hiện hiệu quả chức năng hút và đẩy khí, quạt ly tâm được thiết kế với cấu trúc phức tạp bao gồm nhiều bộ phận chính. Mỗi thành phần đều có vai trò riêng biệt nhưng phối hợp nhịp nhàng với nhau để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh và hiệu quả.

Vỏ quạt (Casing): Đây là bộ phận bên ngoài có hình dạng xoắn ốc đặc biệt, thường được chế tạo từ thép carbon, thép không gỉ hoặc vật liệu composite tùy theo môi trường sử dụng. Vỏ quạt có nhiệm vụ hội tụ và định hướng dòng không khí từ guồng cánh ra miệng thổi, đồng thời chuyển đổi động năng thành áp năng để tăng áp suất đầu ra.

Guồng cánh quạt (Impeller): guồng cánh bao gồm một đĩa trung tâm và nhiều cánh quạt được sắp xếp theo các góc nghiêng khác nhau. Thiết kế của guồng cánh quyết định trực tiếp đến hiệu suất, lưu lượng và áp suất mà quạt có thể tạo ra, đồng thời ảnh hưởng đến mức độ ồn và độ bền của thiết bị.

Trục quạt (Shaft): Là bộ phận truyền động quan trọng kết nối guồng cánh với động cơ, được gia công từ thép cứng với độ chính xác cao. Trục quạt phải đảm bảo độ thẳng tuyệt đối và được cân bằng động để tránh rung động khi vận hành với tốc độ cao trong thời gian dài.

Động cơ điện (Motor): Cung cấp năng lượng cần thiết để làm quay toàn bộ hệ thống, có thể là động cơ một pha hoặc ba pha tùy theo công suất yêu cầu. Động cơ thường được trang bị các thiết bị bảo vệ như relay nhiệt, công tắc tơ để đảm bảo an toàn vận hành.

Hệ thống gối đỡ (Bearing system): Bao gồm các ổ bi hoặc ổ lăn chuyên dụng giúp đỡ trục quay một cách mượt mà và ổn định. Hệ thống này cần được bôi trơn định kỳ và thay thế khi có dấu hiệu hư hỏng để đảm bảo tuổi thọ của thiết bị.

Miệng hút và miệng thổi: Miệng hút có đường kính lớn, thường được thiết kế với cấu trúc phễu để tối ưu hóa việc hút khí vào. Miệng thổi có tiết diện nhỏ hơn và được định hướng vuông góc với trục quạt để tạo ra vận tốc và áp suất cao cho dòng khí đầu ra.

Nguyên lý hoạt động của quạt hút ly tâm

Quạt ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý vật lý cơ bản về lực ly tâm và sự chênh lệch áp suất. Quá trình này diễn ra qua một chuỗi các bước liên tục và đồng bộ, tạo nên hiệu quả làm việc ổn định và mạnh mẽ của thiết bị trong mọi điều kiện vận hành.

Các bước chính trong nguyên lý làm việc của quạt ly tâm bao gồm:

• Cánh quạt quay: Động cơ truyền động làm trục chính và cánh quạt quay với tốc độ cao từ 1000-3000 vòng/phút, các cánh quạt được gắn chặt vào guồng động (rotor) để xoay quanh trục chính một cách ổn định và đồng bộ.
• Tạo lực ly tâm: Quá trình quay của cánh quạt tạo ra lực ly tâm mạnh mẽ hướng ra xa trục quay, tác động trực tiếp lên các phân tử khí trong không khí và đẩy chúng từ tâm quạt ra phía ngoại vi buồng quạt.
• Tạo áp suất: Lực ly tâm này tạo ra vùng áp suất cao ở phần bên ngoài của buồng quạt với cấu trúc vỏ xoắn ốc đặc biệt, không khí ở khu vực này bị ép vào và nén lại, dẫn đến việc tăng áp suất đáng kể so với môi trường xung quanh.
• Tạo dòng không khí: Sự chênh lệch áp suất giữa vùng áp suất cao ở ngoại vi buồng quạt và vùng áp suất thấp hơn ở tâm quạt (cửa hút) cùng với môi trường bên ngoài cửa xả tạo ra động lực mạnh mẽ cho dòng khí di chuyển liên tục.
• Đẩy dòng không khí: Không khí từ khu vực áp suất cao được đẩy mạnh qua các cánh quạt, sau đó di chuyển ra qua đầu ra của quạt theo hướng tiếp tuyến, tạo thành một dòng không khí có lưu lượng và áp suất đáp ứng chính xác yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.

Phân loại quạt ly tâm

Trên thị trường hiện tại, quạt ly tâm được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau để đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng. Việc hiểu rõ các loại quạt này sẽ giúp bạn lựa chọn được sản phẩm phù hợp nhất với điều kiện và yêu cầu cụ thể của dự án.

Phân loại theo mức áp suất làm việc

• Quạt ly tâm áp suất thấp được thiết kế để hoạt động trong khoảng áp suất dưới 1000 Pa, thường được sử dụng trong các hệ thống thông gió nhà ở, văn phòng, trung tâm thương mại và các ứng dụng làm mát thông thường. Loại quạt này có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, hoạt động êm ái và chi phí đầu tư thấp.
• Quạt ly tâm áp suất trung bình làm việc trong khoảng áp suất từ 1000 đến 3000 Pa, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống hút bụi công nghiệp, lọc khí thải, vận chuyển vật liệu dạng bột nhẹ và các nhà máy sản xuất có yêu cầu về chất lượng không khí. Đây là loại quạt phổ biến nhất trong công nghiệp nhẹ.
• Quạt ly tâm áp suất cao có khả năng tạo ra áp suất trên 3000 Pa, được sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng như luyện kim, hóa chất, xi măng và các lò đốt công nghiệp. Loại quạt này có cấu trúc bền bỉ, chịu được nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt.

Phân loại theo phương thức truyền động

Quạt truyền động trực tiếp có guồng cánh được gắn trực tiếp lên trục động cơ, tạo nên cấu trúc nhỏ gọn và hiệu suất truyền động cao nhất. Ưu điểm của loại này là ít mất mát năng lượng, bảo trì đơn giản và chi phí đầu tư thấp, tuy nhiên nhược điểm là tốc độ quạt phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ động cơ.

Quạt truyền động gián tiếp sử dụng hệ thống dây curoa và puly để kết nối động cơ với guồng cánh, cho phép điều chỉnh tốc độ quạt linh hoạt bằng cách thay đổi tỷ số truyền. Loại này có ưu điểm là bảo vệ động cơ khỏi nhiệt độ cao và bụi bẩn, đồng thời có thể tối ưu hóa hiệu suất theo từng điều kiện vận hành cụ thể.

Phân loại theo thiết kế cánh quạt

Quạt có cánh cong về phía trước tạo ra lưu lượng lớn ở tốc độ quay thấp, hoạt động êm ái và tiết kiệm năng lượng, thường được sử dụng trong các hệ thống HVAC và thông gió dân dụng. Tuy nhiên, loại này có hiệu suất tổng thể thấp hơn và dễ bị quá tải khi áp suất tăng cao.

• Quạt có cánh thẳng (radial) được thiết kế đặc biệt để chịu được môi trường khắc nghiệt với nhiều bụi bẩn và vật liệu mài mòn. Loại này có độ bền cao, khả năng tự làm sạch tốt và ít bị tắc nghẽn, thường được sử dụng trong vận chuyển vật liệu và hút bụi công nghiệp nặng.
• Quạt có cánh cong về phía sau là loại có hiệu suất năng lượng cao nhất trong tất cả các thiết kế, với đường đặc tính làm việc ổn định và khả năng chống quá tải tốt. Loại này thường được lựa chọn cho các ứng dụng yêu cầu áp suất tĩnh cao và vận hành liên tục trong thời gian dài như hệ thống thông gió công nghiệp quy mô lớn.

Việc lựa chọn đúng loại quạt ly tâm phù hợp sẽ đảm bảo hiệu quả vận hành, tiết kiệm chi phí và đạt được mục tiêu kỹ thuật đề ra. Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như môi trường làm việc, yêu cầu về lưu lượng và áp suất, cũng như điều kiện lắp đặt và bảo trì khi đưa ra quyết định cuối cùng.