Ventilateurs pour systèmes de ventilation canalisés
Ce module examine les ventilateurs centrifuges et axiaux utilisés pour les systèmes de ventilation canalisés et considère certains aspects, y compris leurs caractéristiques et attributs opérationnels.
Les deux types de ventilateurs courants utilisés dans les bâtiments pour les systèmes canalisés sont généralement appelés ventilateurs centrifuges et axiaux – le nom dérivant de la direction déterminante du flux d'air à travers le ventilateur. Ces deux types sont eux-mêmes divisés en un certain nombre de sous-types qui ont été développés pour fournir des caractéristiques particulières de débit/pression, ainsi que d'autres attributs opérationnels (notamment la taille, le bruit, les vibrations, la nettoyabilité, la maintenabilité et la robustesse).
Tableau 1 : Données d'efficacité maximale publiées aux États-Unis et en Europe pour les ventilateurs > 600 mm de diamètre
Certains des types de ventilateurs les plus fréquemment utilisés en CVC sont répertoriés dans le tableau 1, ainsi que les efficacités maximales indicatives qui ont été collectées1 à partir de données publiées par un certain nombre de fabricants américains et européens. En plus de cela, le ventilateur « plug » (qui est en fait une variante du ventilateur centrifuge) a connu une popularité croissante ces dernières années.
Figure 1 : Courbes de ventilateur génériques. Les vrais fans peuvent différer considérablement de ces courbes simplifiées
Les courbes caractéristiques des ventilateurs sont présentées dans la figure 1. Ce sont des courbes exagérées et idéalisées, et les vrais ventilateurs peuvent très bien en différer ; cependant, ils sont susceptibles de présenter des attributs similaires. Cela inclut les zones d'instabilité dues au pompage, où le ventilateur peut basculer entre deux débits possibles à la même pression ou à la suite du calage du ventilateur (voir Calage de la boîte de débit d'air). Les fabricants doivent également identifier les plages de travail « sûres » préférées dans leur documentation.
Ventilateurs centrifuges
Avec les ventilateurs centrifuges, l'air pénètre dans la roue le long de son axe, puis il est évacué radialement de la roue avec le mouvement centrifuge. Ces ventilateurs sont capables de générer à la fois des pressions élevées et des débits volumiques élevés. La majorité des ventilateurs centrifuges traditionnels sont enfermés dans un boîtier de type volute (comme dans la figure 2) qui agit pour diriger l'air en mouvement et convertir efficacement l'énergie cinétique en pression statique. Pour déplacer plus d'air, le ventilateur peut être conçu avec une turbine « double largeur et double entrée », permettant à l'air d'entrer des deux côtés du boîtier.
Figure 2 : Ventilateur centrifuge dans un boîtier à volutes, avec une roue inclinée vers l'arrière
Il existe un certain nombre de formes de pales qui peuvent constituer la turbine, les principaux types étant courbés vers l'avant et vers l'arrière. La forme de la pale déterminera ses performances, son efficacité potentielle et la forme de la courbe caractéristique du ventilateur. Les autres facteurs qui affecteront l'efficacité du ventilateur sont la largeur de la roue de la turbine, l'espace libre entre le cône d'entrée et la turbine rotative, et la zone utilisée pour évacuer l'air du ventilateur (la soi-disant « zone de souffle »). .
Ce type de ventilateur est traditionnellement entraîné par un moteur doté d'un agencement de courroies et de poulies. Cependant, avec l'amélioration des commandes électroniques de vitesse et la disponibilité accrue de moteurs à commutation électronique (« EC » ou sans balais), les entraînements directs sont de plus en plus fréquemment utilisés. Cela supprime non seulement les inefficacités inhérentes à un entraînement par courroie (qui peuvent aller de 2 % à plus de 10 %, selon l'entretien2), mais est également susceptible de diminuer les vibrations, de réduire l'entretien (moins de roulements et d'exigences de nettoyage) et de rendre l'assemblage plus fluide. plus compact.
Ventilateurs centrifuges courbés vers l'arrière
Les ventilateurs courbés vers l'arrière (ou « inclinés ») sont caractérisés par des pales qui s'inclinent dans le sens de rotation. Ils peuvent atteindre des rendements d'environ 90 % en utilisant des pales à voilure aérodynamique, comme le montre la figure 3, ou avec des pales simples façonnées en trois dimensions, et un peu moins lorsqu'on utilise des pales courbes simples, et encore moins lorsqu'on utilise de simples pales plates inclinées vers l'arrière. L'air quitte les extrémités de la roue à une vitesse relativement faible, de sorte que les pertes par frottement à l'intérieur du boîtier sont faibles et le bruit généré par l'air est également faible. Ils peuvent caler aux extrémités de la courbe de fonctionnement. Des roues relativement plus larges fourniront les plus grandes efficacités et peuvent facilement utiliser les pales profilées à voilure plus volumineuses. Les turbines minces ne tireront que peu d'avantages de l'utilisation de profils aérodynamiques et ont donc tendance à utiliser des pales à plaques plates. Les ventilateurs courbés vers l'arrière sont particulièrement remarquables pour leur capacité à produire des pressions élevées combinées à un faible bruit et à avoir une caractéristique de puissance sans surcharge. Cela signifie que lorsque la résistance diminue dans un système et que le débit augmente, la puissance consommée par le moteur électrique diminuera. . La construction des ventilateurs incurvés vers l'arrière est probablement plus robuste et plutôt plus lourde que celle du ventilateur incurvé vers l'avant, moins efficace. La vitesse relativement lente de l'air à travers les pales peut permettre l'accumulation de contaminants (tels que la poussière et la graisse).
Figure 3 : Illustration des roues de ventilateurs centrifuges
Ventilateurs centrifuges courbés vers l'avant
Les ventilateurs incurvés vers l'avant se caractérisent par un grand nombre de pales incurvées vers l'avant. Comme ils produisent généralement des pressions plus faibles, ils sont plus petits, plus légers et moins chers que le ventilateur équivalent courbé vers l’arrière. Comme le montrent les figures 3 et 4, ce type de turbine de ventilateur comprendra plus de 20 pales qui peuvent être aussi simples que d'être formées à partir d'une seule tôle. Des efficacités améliorées sont obtenues dans des tailles plus grandes avec des pales formées individuellement. L'air quitte les extrémités des pales avec une vitesse tangentielle élevée, et cette énergie cinétique doit être convertie en pression statique dans le boîtier, ce qui nuit à l'efficacité. Ils sont généralement utilisés pour des volumes d'air faibles à moyens à basse pression (normalement <1,5 kPa) et ont un rendement relativement faible, inférieur à 70 %. Le boîtier à volutes est particulièrement important pour obtenir la meilleure efficacité, car l'air quitte la pointe des pales à grande vitesse et est utilisé pour convertir efficacement l'énergie cinétique en pression statique. Ils fonctionnent à de faibles vitesses de rotation et, par conséquent, les niveaux de bruit générés mécaniquement ont tendance à être inférieurs à ceux des ventilateurs courbés vers l'arrière à vitesse plus élevée. Le ventilateur présente une caractéristique de puissance de surcharge lorsqu'il fonctionne avec de faibles résistances du système.
Figure 4 : Ventilateur centrifuge courbé vers l'avant avec moteur intégré
Ces ventilateurs ne conviennent pas lorsque, par exemple, l'air est fortement contaminé par de la poussière ou transporte des gouttelettes de graisse entraînées.
Figure 5 : Exemple de ventilateur à entraînement direct avec pales courbées vers l'arrière
Ventilateurs centrifuges à pales radiales
Le ventilateur centrifuge à pales radiales a l'avantage de pouvoir déplacer des particules d'air contaminées et à des pressions élevées (de l'ordre de 10 kPa) mais, fonctionnant à des vitesses élevées, il est très bruyant et inefficace (<60 %) et ne devrait donc pas être utilisé. utilisé pour le CVC à usage général. Il souffre également d'une caractéristique de puissance de surcharge : à mesure que la résistance du système est réduite (peut-être par l'ouverture des registres de contrôle du volume), la puissance du moteur augmentera et, en fonction de la taille du moteur, peut éventuellement « surcharger ».
Branchez les ventilateurs
Au lieu d'être montées dans un boîtier à volutes, ces turbines centrifuges spécialement conçues peuvent être utilisées directement dans le boîtier de l'unité de traitement d'air (ou, en fait, dans n'importe quel conduit ou plénum), et leur coût initial sera probablement inférieur à celui de l'unité de traitement d'air. abritait des ventilateurs centrifuges. Connus sous le nom de ventilateurs centrifuges « plénum », « plug » ou simplement « non logés », ils peuvent offrir certains avantages en termes d'espace, mais au prix d'une perte d'efficacité opérationnelle (les meilleures efficacités étant similaires à celles des ventilateurs centrifuges incurvés vers l'avant). Les ventilateurs aspireront l'air à travers le cône d'entrée (de la même manière qu'un ventilateur intégré), mais rejetteront ensuite l'air radialement sur toute la circonférence extérieure de 360° de la roue. Ils peuvent fournir une grande flexibilité des connexions de sortie (à partir du plénum), ce qui signifie qu'il peut y avoir moins besoin de coudes adjacents ou de transitions brusques dans les conduits qui eux-mêmes ajouteraient à la chute de pression du système (et, par conséquent, à la puissance supplémentaire du ventilateur). L'efficacité globale du système peut être améliorée en utilisant des entrées en forme de cloche dans les conduits sortant du plénum. L'un des avantages du ventilateur à bouchon est sa performance acoustique améliorée, résultant en grande partie de l'absorption acoustique dans le plénum et de l'absence de chemins de « vue directe » depuis la turbine jusqu'à l'embouchure des conduits. L'efficacité dépendra fortement de l'emplacement du ventilateur dans le plénum et de la relation entre le ventilateur et sa sortie – le plénum étant utilisé pour convertir l'énergie cinétique de l'air et ainsi augmenter la pression statique. Des performances et des stabilités de fonctionnement sensiblement différentes dépendront du type de turbine : des turbines à flux mixte (fournissant une combinaison de flux radial et axial) ont été utilisées pour surmonter les problèmes d'écoulement résultant du fort flux d'air radial créé à l'aide de simples turbines centrifuges3.
Pour les unités plus petites, leur conception compacte est souvent complétée par l'utilisation de moteurs EC facilement contrôlables.
Ventilateurs axiaux
Dans les ventilateurs à flux axial, l'air traverse le ventilateur dans l'alignement de l'axe de rotation (comme le montre le ventilateur axial à tube simple de la figure 6) – la pressurisation étant produite par portance aérodynamique (semblable à une aile d'avion). Ceux-ci peuvent être relativement compacts, peu coûteux et légers, particulièrement adaptés au déplacement de l'air à des pressions relativement faibles. Ils sont donc fréquemment utilisés dans les systèmes d'extraction où les pertes de charge sont inférieures à celles des systèmes d'alimentation - l'alimentation incluant normalement la perte de charge de toute la climatisation. composants de l’unité de traitement d’air. Lorsque l'air quitte un simple ventilateur axial, il tourbillonne en raison de la rotation conférée à l'air lorsqu'il passe à travers la roue - les performances du ventilateur peuvent être considérablement améliorées par des aubes directrices en aval pour récupérer le tourbillon, comme dans l'aube. ventilateur axial illustré à la figure 7. L'efficacité d'un ventilateur axial est affectée par la forme de la pale, la distance entre la pointe de la pale et le boîtier environnant et la récupération du tourbillon. Le pas de la pale peut être modifié pour faire varier efficacement la puissance du ventilateur. En inversant la rotation des ventilateurs axiaux, le flux d’air peut également être inversé – même si le ventilateur sera conçu pour fonctionner dans la direction principale.
Figure 6 : Un ventilateur à flux axial à tubes
La courbe caractéristique des ventilateurs axiaux présente une zone de décrochage qui peut les rendre inadaptés aux systèmes présentant une plage de conditions de fonctionnement très variable, bien qu'ils bénéficient d'une caractéristique de puissance sans surcharge.
Figure 7 : Un ventilateur à flux axial à palettes
Les ventilateurs axiaux à palettes peuvent être aussi efficaces que les ventilateurs centrifuges courbés vers l'arrière et sont capables de produire des débits élevés à des pressions raisonnables (généralement autour de 2 kPa), bien qu'ils soient susceptibles de créer plus de bruit.
Le ventilateur à flux mixte est un développement du ventilateur axial et, comme le montre la figure 8, possède une roue de forme conique dans laquelle l'air est aspiré radialement à travers les canaux d'expansion, puis passé axialement à travers les aubes directrices de redressement. L'action combinée peut produire une pression bien plus élevée que celle possible avec d'autres ventilateurs à flux axial. Les efficacités et les niveaux de bruit peuvent être similaires à ceux d’un ventilateur centrifuge à courbe arrière.
Figure 8 : Ventilateur en ligne à flux mixte
L'installation du ventilateur
Les efforts visant à fournir une solution de ventilateur efficace peuvent être gravement compromis par la relation entre le ventilateur et les conduits d'air locaux.
Heure de publication : 07 janvier 2022