مروحة (آلة)

في عام ١٨٤٩، تم تشغيل مروحة بخارية نصف قطرها ٦ أمتار، من تصميم ويليام برونتون ، في منجم جيلي غاير للفحم في جنوب ويلز . عُرض النموذج في المعرض الكبير عام ١٨٥١. وفي العام نفسه، قام الطبيب الاسكتلندي ديفيد بوسويل ريد بتركيب أربع مراوح بخارية في سقف مستشفى سانت جورج في ليفربول، بحيث يدفع الضغط الناتج عن المراوح الهواء الداخل إلى أعلى عبر فتحات في السقف. ^{[ ٨ ] [ ٩ ]} وقد أُدخلت تحسينات على هذه التقنية من قِبل جيمس ناسمييث ، والفرنسي ثيوفيل غيبال، وجيه آر وادل. ^{[ ١٠ ]}

بين عامي 1882 و1886، اخترع شويلر ويلر مروحة تعمل بالكهرباء. ^{[ 11 ]} وقد سوّقتها شركة كروكر وكورتيس الأمريكية للمحركات الكهربائية تجاريًا. وفي عام 1885، طرحت شركة ستوت وميدوكرافت وشركاه في نيويورك مروحة كهربائية مكتبية تعمل بالدفع المباشر في الأسواق. ^{[ 12 ]}

في عام 1882، طور فيليب ديل أول مروحة سقف كهربائية في العالم . وخلال هذه الفترة المكثفة من الابتكار، كانت المراوح التي تعمل بالكحول أو الزيت أو الكيروسين شائعة في مطلع القرن العشرين.

في عام ١٩٠٩، كانت شركة KDK اليابانية رائدة في اختراع المراوح الكهربائية المنزلية التي تُنتج بكميات كبيرة. وفي عشرينيات القرن العشرين، سمحت التطورات الصناعية بإنتاج المراوح الفولاذية بكميات كبيرة وبأشكال مختلفة، مما أدى إلى انخفاض أسعارها وجعلها في متناول شريحة أوسع من أصحاب المنازل. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، صمم إيمرسون أول مروحة على طراز آرت ديكو (المعروفة باسم "البجعة الفضية"). ^{[ ١٣ ]} وبحلول أربعينيات القرن العشرين، أصبحت شركة كرومبتون غريفز الهندية أكبر مصنّع للمراوح السقفية الكهربائية في العالم، والتي تُباع بشكل رئيسي في الهند وآسيا والشرق الأوسط. وبحلول خمسينيات القرن العشرين، صُنعت مراوح الطاولة والمراوح الأرضية بألوان زاهية وجذابة. وتحظى المراوح السقفية بشعبية كبيرة في دول جنوب آسيا، مثل الهند، حيث توفر تبريدًا فعالًا من حيث التكلفة في المناخات الحارة. ^{[ ١٤ ] [ ١٥ ]}

تسبب تكييف الهواء المركزي والنوافذ في الستينيات في توقف العديد من الشركات عن إنتاج المراوح، ^{[ 16 ]} ولكن في منتصف السبعينيات، ومع تزايد الوعي بتكلفة الكهرباء وكمية الطاقة المستخدمة لتدفئة وتبريد المنازل، أصبحت مراوح السقف المصممة على طراز مطلع القرن شائعة مرة أخرى باعتبارها زخرفية وموفرة للطاقة.

في عام 1998، اخترع ويليام فيربانك ووالتر ك. بويد مروحة السقف ذات الحجم الكبير والسرعة المنخفضة (HVLS) ، المصممة لتقليل استهلاك الطاقة باستخدام شفرات مروحة طويلة تدور بسرعة منخفضة لتحريك حجم كبير نسبيًا من الهواء. ^{[ 17 ]}

تتميز مراوح التدفق المحوري بشفرات تجبر الهواء على التحرك بالتوازي مع المحور الذي تدور حوله الشفرات. يُستخدم هذا النوع من المراوح في تطبيقات متنوعة، بدءًا من مراوح التبريد الصغيرة للأجهزة الإلكترونية وصولًا إلى المراوح العملاقة المستخدمة في أبراج التبريد . تُستخدم مراوح التدفق المحوري في تكييف الهواء والتطبيقات الصناعية. يبلغ قطر مراوح التدفق المحوري القياسية 300-400  مم أو 1800-2000  مم، وتعمل تحت ضغوط تصل إلى 800 باسكال . تُستخدم أنواع خاصة من المراوح كمراحل ضغط منخفضة في محركات الطائرات. من أمثلة مراوح التدفق المحوري:

• مروحة الطاولة: تتكون مروحة الطاولة النموذجية من عدة عناصر أساسية، تشمل شفرة المروحة، والقاعدة، والمحرك، وأسلاك التوصيل ، والمحرك، وواقي الشفرة ، وغطاء المحرك، وعلبة تروس المذبذب ، وعمود المذبذب. المذبذب هو آلية تُحرك المروحة من جانب إلى آخر. يخرج عمود المحرك من طرفي المحرك؛ أحد طرفي العمود متصل بالشفرة، والآخر متصل بعلبة تروس المذبذب. يتصل غطاء المحرك بعلبة التروس ليحتوي على الجزء الدوار والجزء الثابت. يربط عمود المذبذب القاعدة المثقلة بعلبة التروس. يغطي غطاء المحرك آلية المذبذب. يتصل واقي الشفرة بغطاء المحرك لأغراض السلامة.
• مروحة شفط منزلية: تُركّب مروحة الشفط المنزلية على الحائط أو السقف، وتُستخدم لإزالة الرطوبة والهواء الراكد من المنازل. عادةً ما تستخدم مراوح الشفط في الحمامات  مروحة بقطر 100 مم، بينما تستخدم مراوح الشفط في المطابخ مروحة بقطر 150  مم، نظرًا لأن مساحة الحمامات غالبًا ما تكون أكبر. كما تُستخدم المراوح المحورية ذات المراوح بقطر 125  مم في الحمامات الكبيرة، على الرغم من أنها أقل شيوعًا. لا تُناسب مراوح الشفط المحورية المنزلية مجاري الهواء التي يزيد طولها عن 3  أو 4  أمتار، وذلك حسب عدد الانحناءات في مجرى الهواء، حيث يُعيق ارتفاع ضغط الهواء في الأنابيب الطويلة أداء المروحة.
• تعمل مراوح الشفط ذات التشغيل المستمر بسرعة منخفضة جدًا، وتزداد سرعتها عند الضرورة، مثلاً عند تشغيل إضاءة الحمام. عند التشغيل العادي، تعمل هذه المراوح كأي مراوح شفط عادية. تسحب عادةً من 5 إلى 10  لترات/ثانية عند التشغيل المستمر، وتستهلك القليل من الكهرباء، 1 أو 2 واط، مما يقلل التكلفة السنوية. بعضها مزود بمستشعرات رطوبة للتحكم في التشغيل المتقطع. تتميز هذه المراوح بضمان التهوية ومنع تراكم الرطوبة. بدلاً من ذلك، يمكن تركيب مروحة شفط عادية للعمل بشكل متقطع بكامل طاقتها لنفس الغرض. ^{[ 19 ]}
• المراوح الكهروميكانيكية: يُقيّمها هواة جمع المراوح وفقًا لحالتها وحجمها وعمرها وعدد شفراتها. وتُعدّ المراوح ذات الأربع شفرات الأكثر شيوعًا، بينما تُعتبر المراوح ذات الخمس أو الست شفرات نادرة. وتُعدّ المواد المُستخدمة في صناعة مكوناتها، كالنحاس، من العوامل المهمة في تحديد مدى جاذبية المروحة.
• مروحة السقف هي مروحة معلقة من سقف الغرفة. تدور معظم مراوح السقف بسرعات منخفضة نسبيًا، ولا تحتوي على واقيات للشفرات لصعوبة الوصول إليها وكبر حجمها. تُستخدم مراوح السقف في كل من المنازل والمنشآت الصناعية والتجارية.
• في السيارات ، توفر مروحة ميكانيكية أو كهربائية تبريدًا للمحرك وتمنع ارتفاع درجة حرارته عن طريق دفع أو سحب الهواء عبر مشعاع مملوء بسائل التبريد . قد تعمل المروحة بواسطة سير وبكرة متصلة بعمود مرفق المحرك ، أو بواسطة محرك كهربائي يتم تشغيله وإيقافه بواسطة مفتاح حراري .
• مروحة كمبيوتر لتبريد المكونات الكهربائية وفي مبردات أجهزة الكمبيوتر المحمولة .
• تساعد المراوح الموجودة داخل مكبرات الصوت على سحب الحرارة بعيدًا عن المكونات الكهربائية.
• مروحة متغيرة الخطوة : تُستخدم المروحة متغيرة الخطوة للتحكم بدقة في الضغط الساكن داخل قنوات التزويد. تُرتّب الشفرات بحيث تدور حول محور تحكم في الخطوة. تدور عجلة المروحة بسرعة ثابتة، وتتبع الشفرات محور التحكم. عندما يتحرك المحور باتجاه الدوار، تزداد زاوية ميل الشفرات، مما يؤدي إلى زيادة التدفق.

تُعرف المروحة الطاردة المركزية غالبًا باسم "قفص السنجاب" (نظرًا لتشابهها في الشكل مع عجلات التمرين الخاصة بالقوارض الأليفة) أو "المروحة الحلزونية"، وتتكون من جزء متحرك (يُسمى المروحة الدافعة ) يتألف من عمود مركزي تدور حوله مجموعة من الشفرات الحلزونية . تدفع المروحة الطاردة المركزية الهواء بزاوية قائمة على مدخلها، وتدفعه للخارج باتجاه المخرج (بفعل الانحراف وقوة الطرد المركزي ). تدور المروحة الدافعة، مما يؤدي إلى دخول الهواء إلى المروحة بالقرب من العمود، ثم تحركه عموديًا من العمود إلى الفتحة الموجودة في غلاف المروحة الحلزوني. تُنتج المروحة الطاردة المركزية ضغطًا أعلى لحجم هواء معين، وتُستخدم حيثما يكون ذلك مرغوبًا، كما هو الحال في نافخات الأوراق ، ومجففات الشعر ، ومضخات نفخ المراتب الهوائية، والهياكل القابلة للنفخ ، وأنظمة التحكم في المناخ في وحدات معالجة الهواء ، والعديد من الأغراض الصناعية. عادة ما تكون أكثر ضجيجًا من المراوح المحورية المماثلة (على الرغم من أن بعض أنواع المراوح الطاردة المركزية تكون أكثر هدوءًا كما هو الحال في وحدات معالجة الهواء).

• 
  رسم تخطيطي لمروحة طرد مركزي، مع عرض علوي لتوضيح تدفق الهواء
• 
  مروحة طرد مركزي نموذجية
• 
  مروحة تبريد طرد مركزي مثبتة داخل جهاز كمبيوتر محمول. تقوم المروحة بتحريك الهواء فوق مجموعة الزعانف، التي تحتوي على زوج من الأنابيب الحرارية.

تم تسجيل براءة اختراع المروحة ذات التدفق العرضي ، أو المروحة المماسية ، عام 1893 على يد ليونيل هايتاور، ^{[ 20 ] [ 21 ]} وتُستخدم على نطاق واسع في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وخاصة في مكيفات الهواء المنفصلة بدون قنوات. عادةً ما تكون المروحة طويلة نسبيًا مقارنةً بقطرها، لذا يبقى التدفق ثنائي الأبعاد تقريبًا بعيدًا عن الأطراف. تستخدم المروحة ذات التدفق العرضي دافعًا بشفرات منحنية للأمام، موضوعة داخل غلاف يتكون من جدار خلفي وجدار دوامي . على عكس الآلات الشعاعية، يتحرك التدفق الرئيسي بشكل عرضي عبر الدافع، مارًا بالشفرات مرتين.

يمكن تقسيم التدفق داخل مروحة التدفق المتقاطع إلى ثلاث مناطق متميزة: منطقة دوامية بالقرب من مخرج المروحة، تُسمى الدوامة اللامركزية، ومنطقة التدفق المباشر، ومنطقة التجديف المقابلة لها مباشرةً. تُعدّ كل من منطقتي الدوامة والتجديف منطقتين مُبددتين للطاقة، ونتيجةً لذلك، يُساهم جزء فقط من المروحة في إحداث شغل مفيد على التدفق. ^{[ 22 ]} تُعتبر مروحة التدفق المتقاطع، أو المروحة العرضية، آلة ذات مرحلتين للتدفق الجزئي. يرجع انتشار مروحة التدفق المتقاطع في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى صغر حجمها، وشكلها، وتشغيلها الهادئ، وقدرتها على توفير معامل ضغط عالٍ. تُعتبر المروحة في الواقع مروحة مستطيلة من حيث هندسة المدخل والمخرج، ويمكن تعديل قطرها بسهولة ليناسب المساحة المتاحة، كما يمكن تعديل طولها لتلبية متطلبات معدل التدفق للتطبيق المحدد.

تُعدّ مراوح الأبراج المنزلية الشائعة من مراوح التدفق العرضي. ^{[ 23 ]} ركّزت معظم الدراسات المبكرة على تطوير مروحة التدفق العرضي للعمل في ظروف التدفق العالي والمنخفض، وأسفرت عن العديد من براءات الاختراع. وقدّم كلٌّ من كوستر، وإيلبرغ وساده، وبورتر وماركلاند، وإيك إسهاماتٍ رئيسية في هذا المجال. ومن الظواهر اللافتة للنظر في مروحة التدفق العرضي، تغيّر زاوية سقوط الهواء الموضعية مع دوران الشفرات. ونتيجةً لذلك، تعمل الشفرات في بعض المواضع كضواغط (زيادة في الضغط)، بينما تعمل في مواضع أخرى كتوربينات ( انخفاض في الضغط).

نظرًا لأن التدفق يدخل ويخرج من المروحة بشكل شعاعي، فقد دُرست مروحة التدفق العرضي وصُنعت نماذج أولية لها لتطبيقات محتملة في الطائرات. ^{[ 24 ]} وبسبب الطبيعة ثنائية الأبعاد للتدفق، يمكن دمج المروحة في جناح لاستخدامها في كلٍ من توليد الدفع والتحكم في الطبقة الحدية. ومن بين التصاميم التي تستخدم مروحة تدفق عرضي عند الحافة الأمامية للجناح، تصميم "جناح المروحة " (FanWing) ، الذي طُوّر في البداية حوالي عام 1997، والذي لا يزال قيد التطوير من قِبل شركة تحمل الاسم نفسه. يُولّد هذا التصميم قوة رفع عن طريق تحويل مسار الهواء المتخلف إلى الأسفل نتيجةً لاتجاه دوران المروحة، مما يُسبب قوة ماغنوس كبيرة ، تُشبه قوة أسطوانة دوارة عند الحافة الأمامية. وهناك تصميم آخر يستخدم مروحة التدفق العرضي للتحكم في الدفع والتدفق، وهو الجناح الدافع ، وهو نموذج أولي تجريبي آخر طُوّر في البداية في التسعينيات والألفية الجديدة. في هذا التصميم، توضع مروحة التدفق العرضي بالقرب من الحافة الخلفية لجناح سميك، وتسحب الهواء من سطح الشفط (العلوي) للجناح. بفضل هذه التقنية، يصبح الجناح الدافع خالياً تقريباً من التوقف، حتى عند زوايا الهجوم العالية للغاية، مما ينتج عنه قوة رفع عالية جداً. مع ذلك، لا تزال مفاهيم الجناح المروحي والجناح الدافع تجريبية، ولم تُستخدم إلا في نماذج أولية غير مأهولة.

المروحة ذات التدفق العرضي هي مروحة طرد مركزي يتدفق فيها الهواء بشكل مستقيم عبرها بدلاً من التدفق بزاوية قائمة. يُغطى دوار هذه المروحة لخلق فرق في الضغط. تحتوي المروحة ذات التدفق العرضي على جدارين خارجيين وجدار دوامي سميك في الداخل. تقل الفجوة القطرية في اتجاه دوران المروحة. يتميز الجدار الخلفي بشكل حلزوني لوغاريتمي، بينما يكون مثبت الدوامة جدارًا أفقيًا رقيقًا ذو حافة مستديرة. ^{[ 25 ]} يسمح فرق الضغط الناتج بتدفق الهواء بشكل مستقيم عبر المروحة، على الرغم من أن شفرات المروحة تعاكس تدفق الهواء على أحد جانبي الدوران. توفر مراوح التدفق العرضي تدفقًا للهواء على كامل عرض المروحة؛ ومع ذلك، فهي أكثر ضجيجًا من مراوح الطرد المركزي العادية. تُستخدم مراوح التدفق العرضي غالبًا في مكيفات الهواء بدون قنوات ، وأبواب الهواء ، وفي بعض أنواع مبردات أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وفي أنظمة تهوية السيارات، ولتبريد المعدات متوسطة الحجم مثل آلات التصوير . ^{[ 26 ]}

ساهمت مراوح دايسون إير ملتيبلاير، التي طُرحت في السوق الاستهلاكية عام 2009، في نشر تصميم توشيبا لعام 1981 ، والذي يُنتج مروحةً بدون شفرات مكشوفة أو أجزاء متحركة ظاهرة (إلا إذا أُضيفت إليها ميزات أخرى كالتذبذب وتعديل الاتجاه). ^{[ 27 ]} تُحفز كمية صغيرة نسبيًا من الهواء، من مروحة ذات شفرات عالية الضغط، والموجودة داخل القاعدة بدلًا من أن تكون مكشوفة، تدفقًا أبطأ لكتلة هوائية أكبر عبر فتحة دائرية أو بيضاوية الشكل، وذلك بفضل منطقة الضغط المنخفض الناتجة عن شكل سطح الجناح ( تأثير كواندا ). ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

تستغل الستائر والأبواب الهوائية هذه الخاصية للمساعدة في الاحتفاظ بالهواء الدافئ أو البارد داخل منطقة مكشوفة تفتقر إلى غطاء أو باب. تُستخدم الستائر الهوائية عادةً في واجهات عرض منتجات الألبان والمجمدات والخضراوات المفتوحة للمساعدة في الاحتفاظ بالهواء البارد داخل الخزانة باستخدام تدفق هواء انسيابي يدور عبر فتحة العرض. يتم توليد تدفق الهواء عادةً بواسطة مروحة ميكانيكية من أي نوع، كما هو موضح في هذه المقالة، وتكون مخفية في قاعدة خزانة العرض. كما تستغل موزعات الهواء الخطية في أنظمة التكييف والتهوية هذه الخاصية لزيادة تدفق الهواء بالتساوي في الغرف مقارنةً بفتحات التهوية ، مع تقليل الطاقة التي يستهلكها منفاخ وحدة معالجة الهواء .

في المركبات، تعتبر المروحة ذات القناة طريقة للدفع حيث يتم إحاطة المروحة أو المروحة الدافعة أو الدوار بقناة ديناميكية هوائية أو غطاء يعزز أدائها لخلق قوة دفع أو رفع ديناميكية هوائية لنقل المركبة.

في أنظمة التهوية، تقوم مروحة نفاثة، تُعرف أيضاً بالمروحة الدافعة أو الحثية، بدفع تيار من الهواء يسحب الهواء المحيط لتدويره. يشغل هذا النظام مساحة أقل من قنوات التهوية التقليدية، ويمكنه زيادة معدلات تدفق الهواء النقي وطرد الهواء الراكد بشكل ملحوظ. ^{[ 30 ]}