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Les Ventilateurs (1)

Oct 16, 2015

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LES VENTILATEURS

LES VENTILATEURS

1. FONCTION DES VENTILATEURS

Un ventilateur est une turbomachine, susceptible de crer une diffrence de pression permettant lcoulement de lair entre lamont et laval.Le ventilateur fournit lair une grande partie de lnergie mcanique quil reoit sur son arbre.Cette nergie araulique est transfre lair sous forme dnergie statique et dnergie dynamique en proportion variable suivant le type de ventilateur.2. CLASSIFICATION DES VENTILATEURSNous classerons les ventilateurs suivant la trajectoire de lair dans lorgane propulseur (roue ou hlice).

LES VENTILATEURS CENTRIFUGES.Un ou deux orifices, les oues, percs dans les flancs permettent laspiration de lair.Pour assurer une bonne performance du ventilateur, la forme de lorifice daspiration est circulaire et la forme de lorifice de refoulement est rectangulaire.

Au refoulement, une bride est disponible pour le raccordement du rseau.Que ce soit laspiration ou au refoulement, des manchettes souples limitent la transmission du bruit gnr par le ventilateur.En fonction des performances recherches, la roue est compose daubes incurves, vers lavant, vers larrire ou radiales.

Les ventilateurs centrifuges sont utiliss en premier lieu dans la climatisation.

LES VENTILATEURS HELICOIDES.

Dans un ventilateur hlicode, laspiration et le refoulement ont lieu suivant la mme direction, celle de laxe.En quittant lhlice, lair a naturellement un mouvement de giration lintrieur du conduit de refoulement. Cet coulement tourbillonnaire est gnrateur dun surcrot de perte de charge; il est toutefois possible dy remdier en disposant des aubes directrices aprs le ventilateur.Les ventilateurs hlicodes basse pression, ayant un rapport de moyeu faible (0.25 < Rmoyeu > 0.4) pulsent des dbits levs avec un gain de pression totale faible alors que les ventilateurs haute pression avec un rapport de moyeu lev, pulsent des dbits modrs avec un gain de pression totale important.

Panoplie de roues de ventilateurs hlicodes.

Le sens de rotation est trs important, puisquil change le sens du flux dair, avec des performances moindres.Ils sont utiliss en ventilation, dsenfumage ainsi que pour assurer le dbit sur les batteries des condenseurs air des machines frigorifiques et des arerefroidisseurs.Sens de rotation des ventilateurs hlicodes.

LES VENTILATEURS TANGENTIELSOn les nomme aussi ventilateurs transverses ou bien ventilateurs effet vortex.

Lair est aspir la priphrie dune turbine tangentielle, il traverse cette turbine et en ressort du ct oppos.Ces ventilateurs ont pour pice matresse une roue du type en cage dcureuil, ils sont souvent raliss en tle daluminium.Les moto-ventilateurs turbine tangentielle constituent un ensemble assez compact: ils sont donc bien adapts pour vhiculer lair dans les changeurs des petits climatiseurs, des ventilo-convecteurs. Par ailleurs, ils fournissent un gain de pression et un dbit peu levs. Notez que le dbit est proportionnel la longueur de la roue.

3. modes dentrainement des ventilateurs

Quatre modes dentranement des ventilateurs sont utiliss, il sagit de: lentranement direct (le plus classique) lentranement direct par moteur rotor extrieur lentranement par accouplement lastique lentranement par courroie.

ENTRAINEMENT DIRECT DES VENTILATEURSLa roue est directement fixe sur larbre du moteur. En fait, le moteur et le ventilateur ont en arbre commun.Lencombrement est des plus rduits, le cot dinvestissement faible, le rendement lev.Le nombre de roulements tant minimal, la maintenance est simplifie. En revanche, la vitesse de rotation du ventilateur est fixe par celle du moteur dentranement. La modification de la vitesse nest possible quen utilisant des moteurs plusieurs vitesses ou, mieux, en asservissant le moteur un variateur de vitesse.

Entranement direct par moteur rotor extrieurAvec ce type de moteur, le stator central est fix sur le chssis. Le rotor dispos la priphrie, est solidaire des ples du ventilateur hlicode ou bien des aubes du ventilateur centrifuge.

Entranement par accouplement lastiqueIls sont principalement utiliss par des ventilateurs imposants, entrans par des moteurs de puissance leve.Larbre du moteur et celui du ventilateur sont distincts. Les paliers du moteur et ventilateur sont indpendants.Un lment lastique, gnralement en caoutchouc, est interpos entre les deux moitis de laccouplement (plateaux).Laccouplement lastique absorbe les variations de pression et rduit la transmission des vibrations du moteur. Cependant, la modification de la vitesse nest possible quen utilisant des moteurs plusieurs vitesses ou, mieux, en asservissant le moteur un variateur de vitesse.

Entrainement par courroieUne poulie est fixe sur larbre du moteur laide dune clavette. Il en est de mme sur larbre du ventilateur.Ce mode dentranement est trs souple puisquil permet de modifier la vitesse de rotation du ventilateur par change de poulies. Concrtement, en choisissant une poulie de plus petit diamtre sur larbre moteur, le ventilateur tourne moins vite et inversement, la vitesse du moteur tant fixe.Cette opportunit entrane nanmoins une perte dnergie dans la transmission et un encombrement un peu plus important. De plus, lusure des courroies oblige un vrification priodique de leur tat et de leur tension.Une tension insuffisante des courroies entrane un glissement important, une temprature leve et par consquent une usure prmature. Une tension excessive impose des surcharges au niveau des paliers qui, terme, les dtruiront.

Diamtre de la poulie du ventilateur 4. caractristiques des ventilateurs Les ventilateurs basse pression

Ces ventilateurs fournissent, leur vitesse de rotation maximale et leur rendement optimal, une charge infrieure 750 [Pa] les ventilateurs a moyenne pression

Dans les mmes conditions, ces ventilateurs peuvent fournir une charge comprise entre 750 et 3500[Pa] les ventilateurs a haute pressionToujours dans les mmes conditions, ils peuvent fournir une charge suprieure 3500 [Pa].

[PA] Les ventilateurs utiliss dans la majorit des installations de climatisation et de conditionnement dair sont des ventilateurs basse pression et parfois des ventilateurs moyenne pression. puissancesAperu des pertes de puissance dun moto-ventilateur.

Puissance utile fournie lair.Cest la puissance que ncessite un ventilateur parfait pour vhiculer un dbit, qv, et pour augmenter la pression de pt, cest la puissance de compression ou puissance araulique.

[W] qv en [m3/s]pt en [Pa] Puissance fournie au ventilateur.Il sagit de la puissance fournie larbre de la roue, sur son moyeu.

[W] ou [KW] ou glv: Rendement global du ventilateur.Le ventilateur ne restitue lair quune partie de la puissance quil reoit sur son arbre; parmi les pertes, on distingue: Les pertes mcaniques, P mca, dissipes dans les paliers du ventilateur.Le rendement mcanique, mca, caractrise les pertes mcaniques. Les pertes arauliques, P arau, dissipes au passage de la bride de refoulement, par chocs des filets dair lentre de la roue, dans la roue par frottement du fluide contre les parois de la roue et de la volute.Le rendement araulique, arau, caractrise les pertes arauliques. Les pertes de dbits, P dbit, dues aux jeux entre la roue et la volute crant des remous et un retour partiel du fluide laspiration.Le rendement volumtrique, volu, caractrise les pertes de dbit.Le rendement global du ventilateur glv = mca x araul x volu

Puissance du moteur dentranement (puissance utile sur son arbre).Le rendement de transmission, tr, caractrise les pertes dues aux courroies.Alors la puissance utile du moteur dentranement est:

[W] ou [KW]

[W] ou [KW] Pourcentage de pertes due la transmission en fonction de la puissance larbre

Puissance consomme par le moteur lectrique.Les pertes inhrentes au fonctionnement du moteur lectrique font que ce dernier ne restitue sur son arbre quune partie de la puissance lectrique quil reoit.Le rendement du moteur lectrique dentranement est variable. Il dpend du type de moteur et de la puissance dveloppe par celui-ci.

[W] ou [KW]

[W] ou [KW] Puissance consomme par linstallation de ventilation.En plus de la puissance consomme par le moteur lectrique, il faut comptabiliser les pertes en ligne et les pertes occasionnes par les dispositifs de rglage de la vitesse (par variateur de frquence, par rsistance..).

[W] ou [KW]

[W] ou [KW] application1 :Un ventilateur centrifuge pulse un dbit de 10 [m3/s] avec une charge totale de 1000 [Pa].1) Dterminer les diffrentes puissances mises en jeu avec cette installation de ventilation.2) Quelle est lnergie consomme durant une anne de service continu?On prcise que: Le rendement global du ventilateur, glv, est gal 0.6. Le rendement de transmission, tr, est gal 0.92. Le rendement du moteur lectrique, mot, est gal 0.86. Le rendement du rseau lectrique, rseau, est gal 0.95.

Lois de similitude des ventilateursElles permettent de prvoir les caractristiques dun ventilateur ayant une frquence de rotation et un diamtre de roue donns partir de mesures ralises avec un ventilateur ayant une frquence de rotation et un diamtre diffrents. Les courbes dbit pression des ventilateurs sont traces en utilisant ces lois de similitude.Lors dessais raliss, les performances arauliques du ventilateur dessai, de diamtre De , et tournant une frquence de rotation Ne, sont: Qve, pour le dbit volumique Pte, pour le gain de pression totale PAEe, pour la puissance araulique dun ventilateur X, de diamtre Dx, tournant la frquence de rotation Nx sont les suivantes.

[m3/s] pour le dbit volumique.

[Pa] pour le gain de pression totale.

[W] pour la puissance araulique.

pour le rendement global.e: masse volumique de lair lors des mesures sur le ventilateur dessai [kg/m3].x: masse volumique de lair circulant dans le ventilateur X [kg/m3].Lerapport De/Dx reste infrieur 3, pour viter les effets dchelle.

application2 :Un ventilateur centrifuge raction a une frquence de rotation de 2120 [tr/min].Pour un dbit de 5 [m3/s], le gain de pression totale est de 1700 [Pa], et la puissance absorbe sur larbre de 11 [kw].On dsire que le gain de pression totale soit de 880 [Pa], quelle doit tre alors la vitesse de rotation du ventilateur?En dduire le dbit volumique et la puissance fournir sur larbre du ventilateur.

application3 :Un ventilateur hlicode de diamtre 400 millimtres dbite 1.4 [m3/s] avec un gain de 310 [Pa] lorsquil tourne 1750 [tr/min]. la puissance absorbe est alors de 0.6 [kw].On dsire obtenir un dbit de 7.5 [m3/s] et le mme gain de pression avec un nouveau ventilateur.Dterminer le diamtre de lhlice.Prciser les caractristiques de ce ventilateur.

5. COURBES CARACTERISTIQUES DES VENTILATEURS

Les courbes caractristiques dun ventilateur reprsentent lvolution des principes caractristiques en fonction du dbit volumique puls.Ce sont pour chaque ventilateur: La courbe du gain de pression totale ou charge. La courbe de la puissance sur larbre du ventilateur. La courbe du rendement global. La courbe du niveau de puissance acoustique.Les diagrammes sont souvent tablis pour de lair standard: P = 101325 [Pa], = 20 [C], = 50 [%], ce qui correspond = 1.2 [kg/m3]. ventilateur centrifuge dont la roue a des aubes inclinees vers lavant

Ce ventilateur est aussi connu sous le terme de ventilateur actions. La courbe de gain de pression totale a un maximum situ trs droite, pour un dbit relativement lev. La courbe de puissance sur larbre slve rapidement lorsque le dbit augmente. Le moteur doit tre particulirement bien adapt, sinon, en cas daugmentation du dbit, la puissance pourrait tre suprieure la puissance nominale du moteur. Lintensit augmente dans le bobinage, il y a risque de dtrioration. Le rendement global est nul pour un dbit nul. Le niveau de puissance acoustique augmente en continu avec le dbit. ventilateur centrifuge A PALES inclinees vers lavant Ce ventilateur permet dobtenir un gain de pression plus important que les autres ventilateurs. Il est particulirement intressant pour des rseaux fortes pertes de charge, quel que soit le dbit et pour les systmes dbit variable. Le gain de pression est des plus constants quand le dbit varie. La pression fournie par le ventilateur reste stable et lquilibre de fonctionnement de linstallation est conserv. Son rendement est assez faible: 55 < > 75 %. ventilateur centrifuge dont la roue a des aubes inclinees vers lARRIERECe ventilateur est aussi appel ventilateur ractions. Au-del dun point maximum, le gain de pression totale diminue rapidement lorsque le dbit augmente. De grandes variations de pertes de charge ne produisent que de faibles variations de dbit dans linstallation. Il est recommand dans le cas o lon prvoit une extension du rseau ou bien lorsquun colmatage des filtres est craindre. Son rendement est assez lev: 75 < > 85 %.Ventilateur action Ventilateur raction

VENTILATEURS HELICOIDES

Le fonctionnement instable est caractris par un niveau de puissance acoustique lev, un coulement pulsatoire proximit du ventilateur et des vibrations plus intenses. Ils sont capables de vhiculer de grands dbits pour de faibles charges. Leur emploi se justifie en ventilation, extraction dair et dsenfumage. Leur rendement est mdiocre: 45 < > 70 %. La diminution brusque du dbit dair risque dentraner une augmentation de la puissance absorbe, ce qui peut tre prjudiciable pour le moteur. En gnral, les dispositifs de protection lectrique interviennent avant le prjudice. VENTILATEURS TENGANTIELS

Les diffrentes courbes peuvent tre rapproches de celles des ventilateurs ractions avec des rendements moins bons: < 60 %.

Ventilateur hlicode Ventilateur turbine tangentielle

6. quilibrage des rseaux dairIl sagit de faire en sorte que chaque diffuseur injecte la quantit dair prvu. Concrtement, une pression convenable doit tre disponible en amont de chaque diffuseur. Si la pression est infrieure, le dbit sera moindre, voire insuffisant, et inversement. Niveaux dquilibrage. Niveau 1: organe de rglage du dbit des units terminales de soufflage. Niveau 2: clapet ou registre de dosage des drivations. Niveau 3: clapet ou registre de dosage des branches principales. Registre au dpart du rseau.Au fur et mesure que lon se rapproche du ventilateur, le niveau dquilibrage augmente.

Equilibrage proportionnelLquilibrage proportionnel des rseaux est trs intressant; en ceci quun registre, une fois rgl, ne demande pas de nouvelle mise au point, mme si le dbit du ventilateur volue.En effet, le principe rside dans le fait que chaque bouche diffuse un certain pourcentage du dbit dair lentre du conduit.

La mthode passe donc par le rglage des registres de chaque diffuseur de manire ce que la totalit du dbit se trouve rpartie convenablement. Procdure de lquilibrage dun rseau.1. Ouvrir tous les registres du rseau araulique ainsi que les registres des diffuseurs.2. Rgler le registre principal ou bien la vitesse de rotation pour que le dbit soit aussi proche que possible de celui prvu.3. Rechercher la drivation vhiculant le dbit le plus lev. Cest celle dont le rapport dbit total est le plus lev (en fait, le plus grand pourcentage du dbit total).4. Le rglage des bouches va seffectuer sur cette drivation.5. Reprer la bouche de soufflage ayant le plus faible dbit, cest souvent la dernire bouche de soufflage. Ainsi elle sera choisie comme unit de rfrence et servira dlment de comparaison pour valuer les dbits des autres bouches du rseau considr.6. Mesurer le dbit de lunit terminale venant aussitt avant lunit de rfrence et rgler son dbit suivant le pourcentage prvu. Ajuster le registre pour que ce pourcentage soit le plus prs possible de la valeur calcule. 7. On procde de la mme manire, avec les autres bouches, en comparant toujours avec la valeur de rfrence. Quand toutes les bouches seront quilibres sur la drivation, chaque bouche dlivrera toujours le mme pourcentage du dbit dair par rapport au dbit total du rseau de distribution. Procder toujours dans la direction du ventilateur, en commenant par la dernire unit de soufflage de la drivation secondaire, puis la dernire drivation secondaire, la dernire drivation principale, et enfin le conduit principal.8. Pour finir et quand tout le rseau se trouve quilibr, mesurer le dbit total dans le conduit principal et ajuster si ncessaire le dbit la valeur requise par action sur la vitesse de rotation.7. mesure dun dbit dair Choix de la mesure: Mesurer, si possible, la vitesse dair dans une section droite, afin dviter les perturbations dues au profil de la canalisation.

Mesures de vitesse dans un conduit circulaire: La section du conduit est fractionne en 2 ou 3 surfaces identiques, en fonction du diamtre. Les points de mesure sont situs sur les circonfrences qui divisent le cercle central et les couronnes priphriques en deux surfaces identiques. Les points de mesure, au nombre de 4, 6 ou 8 en fonction du diamtre du conduit, sont rpartis quitablement sur chaque cercle. La vitesse moyenne de lair est la moyenne arithmtique des vitesses mesures. La vitesse moyenne est multiplie par la surface de la gaine au point considr.

Mesures de vitesse dans un conduit rectangulaire.Il faut diviser la section de passage de lair en plusieurs carrs ou rectangles identiques, et effectuer la mesure de la vitesse au centre de chacun de ces carrs ou rectangles.

Mesures de vitesse sur une grille de soufflage et extraction.Les grilles recouvrant certaines bouches de ventilation ont une influence importante sur lcoulement du flux dair, aussi bien en gaine qu lextrieur. De ce fait, la dtermination de la valeur moyenne reste dlicate et ncessite un savoir-faire. Pour effectuer ce type de mesure, il est conseill de se positionner une vingtaine de centimtres de la grille et dplacer lentement et uniformment lanmomtre hlices (de prfrence 60 ou 100 mm) afin deffectuer un balayage de la surface totale de la bouche. Pour viter les erreurs de mesure, il est conseill de reproduire la mesure deux fois. La vitesse moyenne ainsi obtenue donnera une notion cohrente de la vitesse de lair. Mesures de la vitesse de lair laide dun tube de Pitot.Louverture du tube de Pitot capte la pression totale et la dirige vers la connexion du bas. La pression statique est capte par les trous sur la priphrie du tube et dirige vers la connexion sur le cot du tube.La pression diffrentielle qui en rsulte est la pression dynamique dpendante du flux dair.Le tube de Pitot est plus sensible aux turbulences que les sondes hlices.

avec: la Pdyn en [Pa], en [m3/kg]

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