Ventilateurs pour systèmes de ventilation canalisés
Ce module examine les ventilateurs centrifuges et axiaux utilisés pour les systèmes de ventilation canalisés et considère des aspects sélectionnés, y compris leurs caractéristiques et leurs attributs opérationnels.
Les deux types de ventilateurs couramment utilisés dans les services de construction pour les systèmes à conduits 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 de plus de 600 mm de diamètre
Certains des types de ventilateurs les plus fréquemment rencontrés utilisés dans le CVC sont répertoriés dans le tableau 1, ainsi que les rendements de pointe indicatifs qui ont été collectés1 à partir de données publiées par une gamme de fabricants américains et européens.En plus de ceux-ci, 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 ventilateurs peuvent différer largement de ces courbes simplifiées
Les courbes de ventilateur caractéristiques sont présentées à la figure 1. Ce sont des courbes exagérées et idéalisées, et les ventilateurs réels peuvent très bien différer de ceux-ci;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 suite au calage du ventilateur (voir Calage de la boîte à flux 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 volumétriques 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 roue à aubes "double largeur double entrée", permettant à l'air d'entrer des deux côtés du boîtier.
Figure 2 : Ventilateur centrifuge dans un carter à volutes, avec une roue inclinée vers l'arrière
Il existe un certain nombre de formes de pales qui peuvent constituer la roue, les principaux types étant incurvés 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 de dégagement entre le cône d'admission et la turbine en rotation, et la zone utilisée pour évacuer l'air du ventilateur (la soi-disant "zone de soufflage") .
Ce type de ventilateur est traditionnellement entraîné par un moteur avec un agencement de courroie et de poulie.Cependant, avec l'amélioration des commandes de vitesse électroniques et la disponibilité accrue de moteurs à commutation électronique (« EC » ou sans balais), les entraînements directs sont de plus en plus utilisés.Cela supprime non seulement les inefficacités inhérentes à une transmission par courroie (qui peuvent aller de 2 % à plus de 10 %, selon l'entretien2), mais est également susceptible de réduire les vibrations, de réduire l'entretien (moins de roulements et d'exigences de nettoyage) et de rendre l'assemblage plus compact.
Ventilateurs centrifuges incurvés vers l'arrière
Les ventilateurs incurvés vers l'arrière (ou « inclinés ») sont caractérisés par des pales qui s'inclinent dans le sens de la rotation.Ils peuvent atteindre des rendements de près de 90 % lors de l'utilisation de pales aérodynamiques, comme le montre la figure 3, ou avec des pales simples formées en trois dimensions, et un peu moins lors de l'utilisation de pales courbes simples, et encore moins lors de l'utilisation de simples pales plates inclinées vers l'arrière.L'air quitte les pointes de la turbine à une vitesse relativement faible, de sorte que les pertes par frottement à l'intérieur du carter sont faibles et que 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 profil aérodynamique plus substantielles.Les turbines minces ne tireront que peu d'avantages de l'utilisation de profils aérodynamiques, elles ont donc tendance à utiliser des pales plates.Les ventilateurs incurvés vers l'arrière sont particulièrement connus pour leur capacité à produire des pressions élevées combinées à un faible bruit et ont 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 diminue. .La construction des ventilateurs incurvés vers l'arrière est susceptible d'être plus robuste et plutôt plus lourde que le 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 incurvés vers l'avant
Les ventilateurs incurvés vers l'avant sont caractérisés par un grand nombre de pales incurvées vers l'avant.Comme ils produisent généralement des pressions plus basses, ils sont plus petits, plus légers et moins chers que le ventilateur incurvé vers l'arrière à alimentation équivalente.Comme le montrent les figures 3 et 4, ce type de roue 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 lames formées individuelles.L'air quitte les extrémités des pales avec une vitesse tangentielle élevée, et cette énergie cinétique doit être convertie en pression statique dans le carter, 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 une efficacité relativement faible inférieure à 70 %.Le boîtier de volute est particulièrement important pour obtenir le meilleur rendement, 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 incurvés vers l'arrière à vitesse plus élevée.Le ventilateur a une caractéristique de puissance de surcharge lorsqu'il fonctionne avec de faibles résistances du système.
Figure 4 : Ventilateur centrifuge incurvé 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 incurvées vers l'arrière
Ventilateurs centrifuges à aubes radiales
Le ventilateur centrifuge à pales radiales a l'avantage de pouvoir déplacer les particules d'air contaminé et à haute pression (de l'ordre de 10kPa) mais, fonctionnant à grande vitesse, il est très bruyant et peu efficace (<60%) et ne doit donc pas être utilisé pour le CVC à usage général.Il souffre également d'une caractéristique de puissance de surcharge - lorsque la résistance du système est réduite (peut-être par l'ouverture des registres de contrôle du volume), la puissance du moteur augmente et, selon la taille du moteur, peut éventuellement "surcharger".
Plug ventilateurs
Au lieu d'être montées dans un boîtier à volutes, ces roues centrifuges conçues à cet effet 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 est susceptible d'être inférieur à celui abritaient des ventilateurs centrifuges.Connus sous le nom de ventilateurs centrifuges `` plenum '', `` plug '' ou simplement `` non logés '', ceux-ci peuvent offrir certains avantages d'espace mais au prix d'une perte d'efficacité de fonctionnement (les meilleurs rendements étant similaires à ceux des ventilateurs centrifuges incurvés vers l'avant logés).Les ventilateurs aspirent l'air à travers le cône d'admission (de la même manière qu'un ventilateur logé) mais rejettent ensuite l'air radialement sur toute la circonférence extérieure de 360° de la roue.Ils peuvent fournir une grande flexibilité des connexions de sortie (depuis le 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 évasées vers les conduits sortant du plénum.L'un des avantages du ventilateur plug fan est ses performances acoustiques améliorées, résultant en grande partie de l'absorption acoustique dans le plénum et de l'absence de voies de « vue directe » de la turbine à l'embouchure des conduits.L'efficacité dépendra beaucoup 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 dans l'air et ainsi augmenter la pression statique.Des performances substantiellement différentes et des stabilités de fonctionnement différentes dépendront du type de roue - des roues à flux mixte (fournissant une combinaison de flux radial et axial) ont été utilisées pour surmonter les problèmes de flux résultant du fort modèle de flux d'air radial créé à l'aide de simples roues 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 écoulement axial, l'air traverse le ventilateur en ligne avec l'axe de rotation (comme illustré dans le ventilateur axial à tube simple de la figure 6) - la pressurisation étant produite par portance aérodynamique (similaire à une aile d'avion).Ceux-ci peuvent être relativement compacts, peu coûteux et légers, particulièrement adaptés au déplacement de l'air contre des pressions relativement basses, ils sont donc fréquemment utilisés dans les systèmes d'extraction où les chutes de pression sont inférieures à celles des systèmes d'alimentation - l'alimentation comprenant normalement la chute de pression de toute la climatisation composants de la centrale de traitement d'air.Lorsque l'air quitte un simple ventilateur axial, il tourbillonnera en raison de la rotation imposée à l'air lorsqu'il traverse la roue - les performances du ventilateur peuvent être considérablement améliorées par des aubes directrices en aval pour récupérer le tourbillon, comme dans la pale 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 sortie du ventilateur.En inversant la rotation des ventilateurs axiaux, le flux d'air peut également être inversé - bien que le ventilateur soit conçu pour fonctionner dans la direction principale.
Figure 6 : Un ventilateur à flux axial tubulaire
La courbe caractéristique des ventilateurs axiaux présente une zone de décrochage qui peut les rendre inadaptés aux systèmes avec une plage de conditions de fonctionnement très variable, bien qu'ils aient l'avantage d'une caractéristique de puissance sans surcharge.
Figure 7 : Un ventilateur à flux axial à aubes
Les ventilateurs axiaux à aubes peuvent être aussi efficaces que les ventilateurs centrifuges incurvés 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, a une roue de forme conique où 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 beaucoup plus élevée que ce qui est possible avec d'autres ventilateurs à flux axial.Les rendements et les niveaux de bruit peuvent être similaires à ceux d'un ventilateur centrifuge à courbe inversée.
Figure 8 : Ventilateur en ligne à flux mixte
L'installation du ventilateur
Les efforts pour fournir une solution de ventilateur efficace peuvent être gravement compromis par la relation entre le ventilateur et les conduits locaux pour l'air.
Heure de publication : 07 janvier 2022