Davlumbaz fanı tasarımı
Domestic range hood fan design
Yazar: GÜVEN ERAKTAŞ
Danışman: PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Santrifüj fan sistemlerinin endüstriyel uygulamalar, havalandırma tesisatları, beyaz eşya, otomotiv, tüketici elektroniği gibi çok geniş bir kullanım alanı vardır.Kullanım amacı uygulamaya göre değişmekle birlikte;genel olarak ortamdaki akışkanın uzaklaştırılması, belirli bir bölgeye yönlendirilmesi, hızlandırılması ve/veya ortamda yüksek basınç-vakum etkisi sağlanması olarak sıralanabilir.
Bu tez çalışmasında evsel kullanım amaçlı bir davlumbazda bulunan santrifüj fan tasarımı üzerinde durulmuştur. Davlumbaz fanının performansının belirlenmesinde 2 ana özellik bulunmaktadır: hava emiş debisi ve ses gücü düzeyi. Davlumbazın, özellikle gıda pişirme sırasında ortaya çıkan, atık gazları ve istenmeyen kokuları mutfak ortamından etkin bir şekilde uzaklaştırması beklenmektedir.Aynı zamanda ses gücü düzeyinin de olabildiğince azaltılması, kullanıcı komforu sağlanması açısından önemlidir.
Avrupa Birliği'nin ilgili teknik standartları, evsel kullanım için üretilen davlumbazlarda hava emiş debisi ve ses gücü düzeyi deklerasyonunu zorunlu kılmaktadır. Bu nedenle davlumbazsantrifüj fanı tasarımı ve debi-ses gücü düzeyi bağlamında optimizasyon kabiliyeti, beyaz eşya üretici firmaların fark yaratabilmesi için değerli bir yetkinlik haline gelmektedir.
Tez çalışmasının birinci bölümünde, santrifüj fanlarla ilgili yapılan temel teorik araştırmalar verilmiştir. Yapılan araştırmalar sonucunda elde edilen bilgiler ışığında, fan tasarımında kritik olduğu düşünülen parametreler belirlenmiştir.
İkinci bölümde, konuyla ilgili literatür araştırması yapılarak belirlenen parametrelerin fan performansına etkisini inceleyen çalışmalar sunulmuştur. Literatür araştırması kapsamında bilimsel makalelere ek olarak, patent araştırması da gerçekleştirilmiştir. Böylece tez çalışması sonucunda ortaya çıkan tasarımın ticari uygulanabilirliği konusunda kısıtlar ve fırsatlar da ortaya konmuştur.
Üçüncü bölümde, tez çalışması kapsamındaki deneysel çalışmalar sunulmuştur. Debi, motor tork-devir ve ses gücü düzeyi ölçüm düzenekleri tanıtılmıştır. Debi ölçüm sisteminin belirsizlik analizi yapılmış ve ölçüm güvenilirliği ortaya konmuştur. Yapılan ölçümler için oluşturulan deney tasarımı, optimizasyon çalışmaları ve sonuçlar anlatılmıştır.
Dördüncü bölümde tasarım doğrulama çalışmalarına yer verilmiştir. Tasarımı ve optimizasyonu yapılan fan prototipinin, davlumbaz dahilinde ölçümleri tekrarlanmıştır. Fanı hareketlendirmek için kullanılacak elektrik motoru özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan yöntem anlatılmıştır. Tasarımı yapılan davlumbaz, ses gücü düzeyi ve debi bağlamında piyasadaki diğer ürünlerle karşılaştırılmıştır.
Beşinci ve son bölümde tez çalışmasında elde edilen sonuçlar özetlenmiş ve öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Centrifugal fan systems have a wide utilization area including industrial applications, ventilation systems, home appliances, automative, consumer electronics etc.Purpose of applications can be listed as exhaustion, direction or acceleration of the fluid in the environment or providing high-low pressure ambience.
This thesis is focused on design of a domestic range hood centrifugal fan. There are two major qualities concerning range hood performance: air suction rate and sound power level. A range hood is supposed to be able to effectively exhaust unwanted fumes and odours away from the kitchen. Meanwhile, sound power level of the range hood needs to be minimized in order to provide a comfortable living areafor the consumer.
Declaration of air flow rate and sound power level of a domestic range hood is rendered mandatory per related EN standards. Therefore, capability of range hood fan design and optimization on the basis of sound power level-air flow rate, became a valuable asset for home appliances companies in order to make a difference.
General theoretical studies take part in the first section of the thesis. As a result of the studies, critical parameters for centrifugal fan design are identified. Critical parameters concerning centrifugal fan design, on which this thesis is focused, can be listed as: fan speed, fan diameter, fan blade exit angle and number of fan blades.
"Euler's Turbine Formula", which is accepted to be the basis of fan design, is introduced in the first section. "Euler's Turbine Formula" is derived from the general angular momentum equation in a control volume. Taking the control volume as the volume between the sections of fan blade inlet and outlet andassuming the fluid flow as continuous and incompressible, a simpler equation is obtained. This equation gives the total angular momentum, which is equal to torque value that is needed to rotate the fan, related to fan diameter, fan speed and mass flow rate of the fluid.
Most centrifugal fan applications, especially domestic range hood centrifugal fans, involves continuous and incompressible fluid flow. Because,working properties of these machines do not exceed certain pressure and temperature levels. Also, phase change and mass transfer are not observed. For this reason, assuming the fluid flow as continuous and incompressible is approved reasonable.
Assuming the velocity profile of fluid flow is matched with respect to geometry of fan blade inlet and exit profiles, one can reach an even simpler equation. With this assumption and arranging the vector cross products, "Euler's Turbine Formula" is reached.
"Fan Laws" (or Affinity Laws) are other formulas widely used in fan design studies. "Fan Laws" are not actual scientific laws, however they are quite helpful for calculations of centrifugal fans, of which working conditions involve continuous and incompressible flow.
Fan Laws for centrifugal fans describe the impact of changes in speed or fan diameter on fluid flow rate, pressure and power. They are useful tools in predicting fan performance changes when speed or impeller diameter are changed, such as might be experienced when variable speed drivers are employed, fans are trimmed and etc.
Fan Laws state that fluid flow rate will change directly when there is a change in fan speed or diameter, fan pressure will change as the square of a change in fan speed or diameter and power will change as the cube of a change in fan speed or diameter.
In the application of Fan Laws, care must be taken in certain situtations. As the specific speed increases, the accuracy of Fan Laws decreases due to recirculation, turbulence and shock effects.
In the second section, literature research related to critical fan design parameters are presented. Literature research comprises not only scientific articles, but also patent applications. Thus, constraints and opportunities for commercial application of the final design is revealed.
In the third section, experimental studies takes place. Air flow rate, motor torque-cycle and sound power level measurement set ups are introduced. Uncertainty analysis of air flow rate measurement is given. Experimental design and optimization studies are explained.
Motor torque-cycle set up is used for obtaining the specific torque-cycle values for the range hood to provide required fluid flow rates. In additon, electrical power and current values of the motor can be obtained.
Air flow rate measurement set up is established per ANSI/AMCA 210-07 and ISO 5167 standards. Air flow rate measurement set up is capable of conducting measurements between 30-1000 m3/h. Total measurement uncertainty of this set up is calculated to be 1,3%.
Sound power level measurement set up for a domestic range hood is established per IEC 60704 standard. Sound power level measurements are conducted between 125-8000 Hz sound wave frequencies as instructed in IEC 60704 standard. Measurement set up is located in a Semi Anechoic Room (SAR), in where certain conditions related to acoustics are provided.
Experimental design and optimization studies are conducted by using "Minitab", which is a package program for statistical analysis. "Response Surface Design Methodology" is used for experimental design. Usage of this methodology is advised, in order to obtain a target value for a single output by optimization of a small and crtical input value group.
In the fourth section, verification studies of the final fan design are introduced. Air flow rate measurementof the prototype fan is repeated within range hood.Determination method of the electrical motor specifications is explained. Prototype range hood is compared with other products on the basis of sound power level and air flow rate.
In the last section, outcomes of the experiments and suggestions for future studies are given.