Ventilatoare pentru sisteme de ventilație cu conducte
Acest modul analizează ventilatoarele centrifuge și axiale utilizate pentru sistemele de ventilație cu conducte și ia în considerare anumite aspecte, inclusiv caracteristicile și atributele lor operaționale.
Cele două tipuri comune de ventilatoare utilizate în instalațiile de construcții pentru sistemele de conducte sunt denumite generic ventilatoare centrifuge și axiale – denumirea derivând din direcția definitorie a fluxului de aer prin ventilator. Aceste două tipuri sunt ele însele împărțite într-o serie de subtipuri care au fost dezvoltate pentru a oferi caracteristici specifice de debit/presiune volumetrică, precum și alte atribute operaționale (inclusiv dimensiunea, zgomotul, vibrațiile, curățarea, mentenanța și robustețea).
Tabelul 1: Date publicate în SUA și Europa privind eficiența maximă a ventilatoarelor cu diametrul >600 mm
Unele dintre cele mai frecvent întâlnite tipuri de ventilatoare utilizate în HVAC sunt enumerate în Tabelul 1, împreună cu eficiențele maxime indicative care au fost colectate1 din datele publicate de o serie de producători americani și europeni. Pe lângă acestea, ventilatorul „cu priză” (care este de fapt o variantă a ventilatorului centrifugal) a cunoscut o popularitate crescândă în ultimii ani.
Figura 1: Curbe generice ale ventilatorului. Ventilatoarele reale pot diferi foarte mult de aceste curbe simplificate.
Curbele caracteristice ale ventilatorului sunt prezentate în Figura 1. Acestea sunt curbe exagerate, idealizate, iar ventilatoarele reale pot diferi de acestea; cu toate acestea, este probabil să prezinte atribute similare. Aceasta include zonele de instabilitate datorate oscilației, unde ventilatorul poate comuta între două debite posibile la aceeași presiune sau ca o consecință a blocării ventilatorului (a se vedea caseta Blocarea fluxului de aer). Producătorii ar trebui, de asemenea, să identifice în literatura lor de specialitate intervalele de funcționare „sigure” preferate.
Ventilatoare centrifuge
În cazul ventilatoarelor centrifuge, aerul intră în rotor de-a lungul axei sale, apoi este evacuat radial din rotor cu mișcarea centrifugă. Aceste ventilatoare sunt capabile să genereze atât presiuni ridicate, cât și debite volumice mari. Majoritatea ventilatoarelor centrifuge tradiționale sunt închise într-o carcasă de tip spirală (ca în Figura 2) care acționează pentru a direcționa aerul în mișcare și a converti eficient energia cinetică în presiune statică. Pentru a mișca mai mult aer, ventilatorul poate fi proiectat cu un rotor cu „dublă admisie cu lățime dublă”, permițând aerului să intre pe ambele părți ale carcasei.
Figura 2: Ventilator centrifugal în carcasă spiralată, cu rotor înclinat spre spate
Există o serie de forme de palete care pot alcătui rotorul, principalele tipuri fiind curbate înainte și curbate înapoi – forma paletei va determina performanța acesteia, eficiența potențială și forma curbei caracteristice a ventilatorului. Ceilalți factori care vor afecta eficiența ventilatorului sunt lățimea roții rotorului, spațiul liber dintre conul de admisie și rotorul rotativ și zona utilizată pentru evacuarea aerului din ventilator (așa-numita „zonă de suflare”).
Acest tip de ventilator a fost acționat în mod tradițional de un motor cu curea și fulie. Cu toate acestea, odată cu îmbunătățirea controlului electronic al vitezei și cu disponibilitatea crescută a motoarelor cu comutare electronică („EC” sau fără perii), acționările directe devin din ce în ce mai frecvent utilizate. Acest lucru nu numai că elimină ineficiențele inerente unei acționări prin curea (care pot fi de la 2% la peste 10%, în funcție de întreținere2), dar este, de asemenea, probabil să reducă vibrațiile, să reducă întreținerea (mai puține rulmenți și necesități de curățare) și să facă ansamblul mai compact.
Ventilatoare centrifuge curbate înapoi
Ventilatoarele curbate înapoi (sau „înclinate”) sunt caracterizate de pale care se înclină în direcția opusă rotației. Acestea pot atinge randamente de aproape 90% atunci când se utilizează pale cu profil aerodinamic, așa cum se arată în Figura 3, sau cu pale simple modelate în trei dimensiuni și puțin mai puțin atunci când se utilizează pale simple curbate și din nou mai puțin atunci când se utilizează pale simple cu placă plată, înclinate înapoi. Aerul părăsește vârfurile rotorului cu o viteză relativ mică, astfel încât pierderile prin frecare din interiorul carcasei sunt mici, iar zgomotul generat de aer este, de asemenea, scăzut. Acestea se pot opri la extremele curbei de funcționare. Rotoarele relativ mai late vor oferi cele mai mari randamente și pot utiliza cu ușurință palele cu profil aerodinamic mai substanțial. Rotoarele subțiri vor prezenta puține beneficii de la utilizarea profilelor aerodinamice, așa că tind să utilizeze pale plate. Ventilatoarele curbate înapoi sunt remarcate în special pentru capacitatea lor de a produce presiuni ridicate combinate cu zgomot redus și au o caracteristică de putere fără supraîncărcare - aceasta înseamnă că, pe măsură ce rezistența se reduce într-un sistem și debitul crește, puterea consumată de motorul electric se va reduce. Construcția ventilatoarelor curbate înapoi este probabil mai robustă și destul de grea decât cea a ventilatorului curbat înainte, mai puțin eficient. Viteza relativ mică a aerului pe pale poate permite acumularea de contaminanți (cum ar fi praful și grăsimea).
Figura 3: Ilustrație a rotoarelor ventilatorului centrifugal
Ventilatoare centrifuge curbate înainte
Ventilatoarele curbate înainte sunt caracterizate de un număr mare de pale curbate înainte. Deoarece produc de obicei presiuni mai mici, sunt mai mici, mai ușoare și mai ieftine decât ventilatorul echivalent curbat înapoi, cu motor. După cum se arată în Figura 3 și Figura 4, acest tip de rotor de ventilator va include peste 20 de pale care pot fi la fel de simple ca fiind formate dintr-o singură foaie de metal. Eficiențe îmbunătățite se obțin la dimensiuni mai mari cu pale formate individual. Aerul părăsește vârfurile palelor cu o viteză tangențială mare, iar această energie cinetică trebuie convertită în presiune statică în carcasă - acest lucru scade eficiența. Acestea sunt utilizate de obicei pentru volume de aer mici până la medii la presiune scăzută (în mod normal <1,5 kPa) și au o eficiență relativ scăzută, sub 70%. Carcasa spiralată este deosebit de importantă pentru a obține cea mai bună eficiență, deoarece aerul părăsește vârful palelor la viteză mare și este utilizat pentru a converti eficient energia cinetică în presiune statică. Acestea funcționează la viteze de rotație mici și, prin urmare, nivelurile de zgomot generate mecanic tind să fie mai mici decât la ventilatoarele curbate înapoi cu viteză mai mare. Ventilatorul are o caracteristică de supraîncărcare a puterii atunci când funcționează cu rezistențe scăzute ale sistemului.
Figura 4: Ventilator centrifugal curbat înainte cu motor integrat
Aceste ventilatoare nu sunt potrivite acolo unde, de exemplu, aerul este puternic contaminat cu praf sau conține picături de grăsime antrenate.
Figura 5: Exemplu de ventilator cu acționare directă și pale curbate înapoi
Ventilatoare centrifuge cu pale radiale
Ventilatorul centrifugal cu palete radiale are avantajul de a putea mișca particulele de aer contaminate la presiuni ridicate (de ordinul a 10 kPa), dar, funcționând la viteze mari, este foarte zgomotos și ineficient (<60%) și, prin urmare, nu ar trebui utilizat pentru sisteme HVAC de uz general. De asemenea, suferă de o caracteristică de supraîncărcare a puterii - pe măsură ce rezistența sistemului este redusă (poate prin deschiderea clapetelor de control al volumului), puterea motorului va crește și, în funcție de dimensiunea motorului, este posibil să se „suprasolicite”.
Ventilatoare cu priză
În loc să fie montate într-o carcasă spiralată, aceste rotoare centrifuge special concepute pot fi utilizate direct în carcasa unității de tratare a aerului (sau, într-adevăr, în orice conductă sau cameră de distribuție), iar costul lor inițial este probabil mai mic decât cel al ventilatoarelor centrifuge încorporate. Cunoscute sub numele de ventilatoare centrifuge „cameră de distribuție”, „dop” sau pur și simplu „neîncastrate”, acestea pot oferi unele avantaje de spațiu, dar cu prețul pierderii eficienței de funcționare (cele mai bune eficiențe fiind similare cu cele ale ventilatoarelor centrifuge curbate înainte încorporate). Ventilatoarele vor trage aerul prin conul de admisie (în același mod ca un ventilator încastrat), dar apoi vor refula aerul radial în jurul întregii circumferințe exterioare de 360° a rotorului. Acestea pot oferi o mare flexibilitate a conexiunilor de ieșire (din cameră de distribuție), ceea ce înseamnă că poate exista o nevoie mai mică de curburi adiacente sau tranziții bruște în conducte, care ar contribui la căderea de presiune a sistemului (și, prin urmare, la o putere suplimentară a ventilatorului). Eficiența generală a sistemului poate fi îmbunătățită prin utilizarea intrărilor tip clopot în conductele care ies din cameră. Unul dintre avantajele ventilatorului cu robinet este performanța sa acustică îmbunătățită, rezultată în mare parte din absorbția sunetului în interiorul camerei de distribuție și din lipsa căilor de „vizibilitate directă” de la rotor la gura conductelor. Eficiența va depinde în mare măsură de amplasarea ventilatorului în cadrul camerei de distribuție și de relația ventilatorului cu ieșirea sa – camera de distribuție fiind utilizată pentru a converti energia cinetică din aer și, astfel, pentru a crește presiunea statică. Performanțe substanțial diferite și stabilități de funcționare diferite vor depinde de tipul de rotor – rotoarele cu flux mixt (care oferă o combinație de flux radial și axial) au fost utilizate pentru a depăși problemele de flux rezultate din modelul puternic de flux radial de aer creat folosind rotoare centrifuge simple3.
Pentru unitățile mai mici, designul lor compact este adesea completat prin utilizarea de motoare EC ușor de controlat.
Ventilatoare axiale
În ventilatoarele axiale, aerul trece prin ventilator în linie cu axa de rotație (așa cum se arată în ventilatorul axial tubular simplu din Figura 6) - presurizarea fiind produsă de portanța aerodinamică (similar cu o aripă de avion). Acestea pot fi relativ compacte, ieftine și ușoare, fiind potrivite în special pentru mișcarea aerului la presiuni relativ scăzute, așa că sunt frecvent utilizate în sistemele de extracție unde căderile de presiune sunt mai mici decât în sistemele de alimentare - alimentarea incluzând în mod normal căderea de presiune a tuturor componentelor de aer condiționat din unitatea de tratare a aerului. Când aerul părăsește un ventilator axial simplu, acesta va fi în vârtejuri datorită rotației aplicate aerului pe măsură ce trece prin rotor - performanța ventilatorului poate fi îmbunătățită semnificativ prin utilizarea unor palete de ghidare în aval pentru a recupera vârtejul, ca în cazul ventilatorului axial cu palete prezentat în Figura 7. Eficiența unui ventilator axial este afectată de forma paletei, distanța dintre vârful paletei și carcasa înconjurătoare și recuperarea vârtejului. Pasul paletei poate fi modificat pentru a varia eficient puterea ventilatorului. Prin inversarea rotației ventilatoarelor axiale, se poate inversa și fluxul de aer – deși ventilatorul va fi proiectat să funcționeze în direcția principală.
Figura 6: Un ventilator axial cu flux tubular
Curba caracteristică pentru ventilatoarele axiale are o regiune de blocare care le poate face nepotrivite pentru sisteme cu o gamă foarte variabilă de condiții de funcționare, deși au avantajul unei caracteristici de putere fără supraîncărcare.
Figura 7: Un ventilator axial cu palete
Ventilatoarele axiale cu palete pot fi la fel de eficiente ca ventilatoarele centrifuge curbate înapoi și sunt capabile să producă debite mari la presiuni rezonabile (de obicei în jur de 2 kPa), deși este probabil să producă mai mult zgomot.
Ventilatorul cu flux mixt este o dezvoltare a ventilatorului axial și, așa cum se arată în Figura 8, are un rotor de formă conică în care aerul este aspirat radial prin canalele de expansiune și apoi trecut axial prin paletele de ghidare îndreptate. Acțiunea combinată poate produce o presiune mult mai mare decât este posibilă în cazul altor ventilatoare axiale. Eficiența și nivelurile de zgomot pot fi similare cu cele ale unui ventilator centrifugal cu curbură inversă.
Figura 8: Ventilator în linie cu flux mixt
Instalarea ventilatorului
Eforturile de a oferi o soluție eficientă pentru ventilator pot fi grav subminate de relația dintre ventilator și căile locale de evacuare a aerului.
Data publicării: 07 ian. 2022