Ventiladors per a sistemes de ventilació per conductes
Aquest mòdul analitza els ventiladors centrífugs i axials utilitzats per a sistemes de ventilació per conductes i considera aspectes seleccionats, incloent-hi les seves característiques i atributs operatius.
Els dos tipus de ventiladors comuns que s'utilitzen en els serveis d'edificis per a sistemes de conductes es denominen genèricament ventiladors centrífugs i axials, el nom deriva de la direcció definidora del flux d'aire a través del ventilador. Aquests dos tipus es divideixen en diversos subtipus que s'han desenvolupat per proporcionar característiques particulars de cabal/pressió, així com altres atributs operatius (com ara la mida, el soroll, la vibració, la neteja, el manteniment i la robustesa).
Taula 1: Dades d'eficiència màxima dels ventiladors publicades als EUA i a Europa per a ventiladors de més de 600 mm de diàmetre
Alguns dels tipus de ventiladors més freqüents que s'utilitzen en la climatització es mostren a la Taula 1, juntament amb les eficiències màximes indicatives que s'han recollit1 a partir de dades publicades per diversos fabricants nord-americans i europeus. A més d'aquests, el ventilador "endollable" (que en realitat és una variant del ventilador centrífug) ha experimentat una popularitat creixent en els darrers anys.
Figura 1: Corbes genèriques dels ventiladors. Els ventiladors reals poden diferir molt d'aquestes corbes simplificades.
Les corbes característiques del ventilador es mostren a la Figura 1. Són corbes exagerades i idealitzades, i els ventiladors reals poden diferir d'aquestes; tanmateix, és probable que presentin atributs similars. Això inclou les zones d'inestabilitat degudes a la oscil·lació, on el ventilador pot alternar entre dos cabals possibles a la mateixa pressió o com a conseqüència de l'aturada del ventilador (vegeu Caixa d'aturada del flux d'aire). Els fabricants també haurien d'identificar els rangs de treball "segurs" preferits a la seva documentació.
Ventiladors centrífugs
Amb els ventiladors centrífugs, l'aire entra a l'impel·lent al llarg del seu eix i després es descarrega radialment des de l'impel·lent amb el moviment centrífug. Aquests ventiladors són capaços de generar tant altes pressions com cabals de gran volum. La majoria dels ventiladors centrífugs tradicionals estan tancats en una carcassa de tipus espiral (com a la Figura 2) que actua per dirigir l'aire en moviment i convertir eficientment l'energia cinètica en pressió estàtica. Per moure més aire, el ventilador es pot dissenyar amb un impulsor de "doble amplada i doble entrada", permetent que l'aire entri per tots dos costats de la carcassa.
Figura 2: Ventilador centrífug en carcassa de espiral, amb un impulsor inclinat cap enrere
Hi ha diverses formes de pales que poden formar el rotor, sent les principals corbes cap endavant i les corbes cap enrere: la forma de la pala determinarà el seu rendiment, l'eficiència potencial i la forma de la corba característica del ventilador. Els altres factors que afectaran l'eficiència del ventilador són l'amplada de la roda del rotor, l'espai lliure entre el con d'entrada i el rotor giratori i l'àrea utilitzada per descarregar l'aire del ventilador (l'anomenada "àrea de ràfega").
Aquest tipus de ventilador tradicionalment s'havia accionat per un motor amb una disposició de corretja i politja. Tanmateix, amb la millora dels controls de velocitat electrònics i la major disponibilitat de motors amb commutació electrònica ('EC' o sense escombretes), els accionaments directes s'utilitzen cada cop amb més freqüència. Això no només elimina les ineficiències inherents a un accionament per corretja (que poden ser entre un 2% i més d'un 10%, depenent del manteniment2), sinó que també és probable que disminueixi la vibració, redueixi el manteniment (menys coixinets i requisits de neteja) i faci que el conjunt sigui més compacte.
Ventiladors centrífugs corbats cap enrere
Els ventiladors corbats cap enrere (o "inclinats") es caracteritzen per unes pales que s'inclinen en direcció contrària a la direcció de rotació. Poden assolir eficiències properes al 90% quan s'utilitzen pales de perfil aerodinàmic, com es mostra a la Figura 3, o amb pales planes amb forma tridimensional, i lleugerament menys quan s'utilitzen pales corbades planes, i encara menys quan s'utilitzen pales simples inclinades cap enrere de placa plana. L'aire surt de les puntes de l'impel·lent a una velocitat relativament baixa, de manera que les pèrdues per fricció dins de la carcassa són baixes i el soroll generat per l'aire també és baix. Poden bloquejar-se als extrems de la corba de funcionament. Els impulsors relativament més amples proporcionaran les majors eficiències i poden emprar fàcilment les pales amb perfil aerodinàmic més importants. Els impulsors prims mostraran pocs beneficis de l'ús de perfils aerodinàmics, de manera que tendeixen a utilitzar pales planes. Els ventiladors corbats cap enrere són especialment coneguts per la seva capacitat de produir altes pressions combinades amb baix soroll, i tenen una característica de potència sense sobrecàrrega; això significa que a mesura que la resistència es redueix en un sistema i el cabal augmenta, la potència consumida pel motor elèctric es reduirà. La construcció dels ventiladors corbats cap enrere probablement serà més robusta i força més pesada que la dels ventiladors corbats cap endavant, menys eficients. La velocitat relativament lenta de l'aire a través de les pales pot permetre l'acumulació de contaminants (com ara pols i greix).
Figura 3: Il·lustració de les rodes d'un ventilador centrífug
Ventiladors centrífugs corbats cap endavant
Els ventiladors corbats cap endavant es caracteritzen per un gran nombre de pales corbades cap endavant. Com que normalment produeixen pressions més baixes, són més petits, més lleugers i més econòmics que el ventilador equivalent corbat cap enrere motoritzat. Com es mostra a la Figura 3 i la Figura 4, aquest tipus d'impel·lent de ventilador inclourà més de 20 pales que poden ser tan senzilles com estar formades a partir d'una sola làmina metàl·lica. S'obtenen eficiències millorades en mides més grans amb pales formades individualment. L'aire surt de les puntes de les pales amb una alta velocitat tangencial, i aquesta energia cinètica s'ha de convertir en pressió estàtica a la carcassa; això resta eficiència. Normalment s'utilitzen per a volums d'aire baixos o mitjans a baixa pressió (normalment <1,5 kPa) i tenen una eficiència relativament baixa, inferior al 70%. La carcassa de voluta és particularment important per aconseguir la millor eficiència, ja que l'aire surt de la punta de les pales a alta velocitat i s'utilitza per convertir eficaçment l'energia cinètica en pressió estàtica. Funcionen a baixes velocitats de rotació i, per tant, els nivells de soroll generats mecànicament tendeixen a ser inferiors als ventiladors corbats cap enrere de més alta velocitat. El ventilador té una característica de potència de sobrecàrrega quan funciona contra baixes resistències del sistema.
Figura 4: Ventilador centrífug corbat cap endavant amb motor integral
Aquests ventiladors no són adequats on, per exemple, l'aire està molt contaminat amb pols o porta gotes de greix arrossegades.
Figura 5: Exemple de ventilador de corrent directe amb pales corbades cap enrere
Ventiladors centrífugs de pales radials
El ventilador centrífug de pales radials té l'avantatge de poder moure partícules d'aire contaminades a altes pressions (de l'ordre de 10 kPa), però, en funcionar a altes velocitats, és molt sorollós i ineficient (<60%), per la qual cosa no s'hauria d'utilitzar per a sistemes de climatització d'ús general. També pateix una característica de sobrecàrrega de potència: a mesura que es redueix la resistència del sistema (potser per l'obertura dels reguladors de volum), la potència del motor augmentarà i, depenent de la mida del motor, és possible que es "sobrecarregui".
Ventiladors endollables
En lloc de muntar-se en una carcassa de espiral, aquests impulsors centrífugs dissenyats específicament es poden utilitzar directament a la carcassa de la unitat de tractament d'aire (o, de fet, en qualsevol conducte o plenum), i és probable que el seu cost inicial sigui inferior al dels ventiladors centrífugs encapsulats. Coneguts com a ventiladors centrífugs "plenum", "connectors" o simplement "sense carcassa", aquests poden proporcionar alguns avantatges d'espai però al preu d'una pèrdua d'eficiència operativa (les millors eficiències són similars a les dels ventiladors centrífugs encapsulats corbats cap endavant). Els ventiladors aspiraran aire a través del con d'entrada (de la mateixa manera que un ventilador encapsulat) però després descarregaran l'aire radialment al voltant de tota la circumferència exterior de 360° de l'impulsor. Poden proporcionar una gran flexibilitat de connexions de sortida (des del plenum), cosa que significa que pot haver-hi menys necessitat de corbes adjacents o transicions pronunciades als conductes que augmentarien la caiguda de pressió del sistema (i, per tant, la potència addicional del ventilador). L'eficiència general del sistema es pot millorar mitjançant entrades de campana als conductes que surten del plenum. Un dels avantatges del ventilador de tub endollable és el seu millor rendiment acústic, en gran part a causa de l'absorció del so dins del plenum i la manca de vies de "visió directa" des del rotor fins a la boca dels conductes. L'eficiència dependrà molt de la ubicació del ventilador dins del plenum i de la relació del ventilador amb la seva sortida; el plenum s'utilitza per convertir l'energia cinètica de l'aire i, per tant, augmentar la pressió estàtica. Un rendiment substancialment diferent i unes estabilitats de funcionament diferents dependran del tipus de rotor: s'han utilitzat rotors de flux mixt (que proporcionen una combinació de flux radial i axial) per superar els problemes de flux derivats del fort patró de flux d'aire radial creat mitjançant rotors centrífugs simples3.
Per a unitats més petites, el seu disseny compacte sovint es complementa amb l'ús de motors EC fàcilment controlables.
Ventiladors axials
En els ventiladors de flux axial, l'aire passa a través del ventilador en línia amb l'eix de rotació (com es mostra al ventilador axial de tub simple de la Figura 6); la pressurització es produeix per sustentació aerodinàmica (similar a l'ala d'un avió). Aquests poden ser relativament compactes, de baix cost i lleugers, especialment adequats per moure aire contra pressions relativament baixes, per la qual cosa s'utilitzen amb freqüència en sistemes d'extracció on les caigudes de pressió són inferiors a les dels sistemes de subministrament; el subministrament normalment inclou la caiguda de pressió de tots els components d'aire condicionat de la unitat de tractament d'aire. Quan l'aire surt d'un ventilador axial simple, girarà en remolí a causa de la rotació impartida a l'aire a mesura que passa per l'impel·lent; el rendiment del ventilador es pot millorar significativament mitjançant àleps guia aigües avall per recuperar el remolí, com en el ventilador axial de àleps que es mostra a la Figura 7. L'eficiència d'un ventilador axial es veu afectada per la forma de la pala, la distància entre la punta de la pala i la carcassa circumdant i la recuperació del remolí. El pas de la pala es pot modificar per variar eficientment la sortida del ventilador. En invertir la rotació dels ventiladors axials, també es pot invertir el flux d'aire, tot i que el ventilador estarà dissenyat per funcionar en la direcció principal.
Figura 6: Un ventilador de flux axial tubular
La corba característica dels ventiladors axials té una regió de bloqueig que els pot fer inadequats per a sistemes amb una gamma molt variable de condicions de funcionament, tot i que tenen l'avantatge d'una característica de potència sense sobrecàrrega.
Figura 7: Ventilador axial de flux de pales
Els ventiladors axials de pales poden ser tan eficients com els ventiladors centrífugs corbats cap enrere i són capaços de produir cabals elevats a pressions raonables (normalment al voltant de 2 kPa), tot i que és probable que generin més soroll.
El ventilador de flux mixt és un desenvolupament del ventilador axial i, com es mostra a la Figura 8, té un impulsor de forma cònica on l'aire s'extreu radialment a través dels canals d'expansió i després passa axialment a través dels àleps guia redreçadors. L'acció combinada pot produir una pressió molt més alta que la que és possible amb altres ventiladors de flux axial. L'eficiència i els nivells de soroll poden ser similars als d'un ventilador centrífug de corba cap enrere.
Figura 8: Ventilador en línia de flux mixt
La instal·lació del ventilador
Els esforços per proporcionar una solució eficaç de ventilador poden veure's greument minats per la relació entre el ventilador i els conductes locals de l'aire.
Data de publicació: 07-01-2022