C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

5. C08 CAPITOLUL 7: ELEMENTE COMPONENTE ALE INSTALAȚIILOR [iii]

5.1 7.1. Ventilatoare Sunt mașini hidraulice folosite pentru vehicularea aerului și gazelor și care realizează o presiune de până la 30.000 Pa (≈ 3000 mm H2O).

5.1.1 7.1.1. Tipuri constructive de ventilatoare Ventilatoarele se împart după tipul constructiv în:

• radiale (centrifugale) - la care aspirația se face axial și refularea radial;

• axiale - la care aspirația și refularea se fac axial;

• cu circulație transversală - la care aspirația se face printr-o parte a rotorului și refularea prin altă parte a acestuia (fig. 7.1.1).

Figura 5.1 Fig. 7.1.1. Tipuri de ventilatoare:

a - radial; b - axial; c - cu curent transversal; 1 - rotor; 2 - profil aerodinamic; 3 - carcasă.

5.1.1.1 Ventilatoare radiale

Sunt utilizate mult în practică și au părțile componente prevăzute în figura 7.1.3 a.

116

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

Figura 5.2 Fig. 7.1.3. Ventilator radial:

a - părți componente; b1 - ventilator de conductă - vedere; b2 - idem - secțiune; 1 - carcasă; 2 - rotor; 3 - gură de aspirație; 4 - gură de refulare; 5 - motor electric; 6 - suport.

Un tip special este ventilatorul de conductă la care carcasa melcată este înlocuită cu una cilindro-tronconică, refularea acestuia efectuându-se radial, în partea cilindrică a carcasei, aerul fiind apoi preluat în partea tronconică și dirijată axial (fig. 7.1.3 b1). Ventilatoarele radiale se pot clasifica după mai multe criterii; astfel după:

o presiunea realizată, sunt de: - presiune joasă (0...1000 Pa); - presiune medie (1000...3000 Pa); - presiune înaltă (peste 3000 Pa).

o forma palelor rotorului, sunt cu pale: - înclinate înapoi; - drepte (radiale); - înclinate înainte.

o domeniul de aplicare, sunt pentru: - gaze calde, transport pneumatic, - materiale abrazive, gaze explozive etc.

o nivelul de zgomot, sunt: - de uz general, folosite în instalații cu cerințe reduse în privința zgomotului

(instalații industriale de ventilare și climatizare); - silențioase folosite la instalații cu cerințe deosebite în privința zgomotului

(instalații de climatizare de confort sau speciale); o modul de antrenare, sunt:

- cuplate direct, cu cuplaj elastic, cu paliere și roți (fig. 7.1.2); o tipul aspirației, sunt:

- monoaspirante, - dublu aspirante.

117

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

5.1.1.2 Ventilatoare axiale Au părțile componente prevăzute în figura 7.1.5 a.

Figura 5.3 Fig. 7.1.5. Ventilatoare axiale:

a - de montat în tubulatură; b - de fereastră; c - de perete; d - de acoperiș; e - în cot; 1 - carcasă circulară; 2 - rotor; 3 - motor electric; 4 - suport.

Datorită carcasei mai simple, la parametri egali, ventilatoarele axiale sunt mai ușoare cu circa 50 % decât cele radiale, dar au nivelul de zgomot mai mare și, din acest motiv, utilizarea lor este mai redusă. Ventilatoarele axiale pot fi montate în: tubulatură, fereastră, perete, acoperiș. Se construiesc pentru aplicații speciale ventilatoare axiale în cot, la care motorul electric este în afara curentului de aer (fig. 7.1.5). Antrenarea ventilatoarelor axiale se face la fel ca și cea a ventilatoarelor radiale, cuplarea directă și cu cuplaj elastic fiind utilizate pentru debite și presiuni mici, iar cea cu curele trapezoidale, pentru debite și presiuni mari (fig. 7.1.2). Ventilatoarele pot avea palete fixe sau reglabile și pot fi prevăzute cu dispozitive de reglare a debitului. În cazuri speciale, pentru mărirea sarcinii dezvoltate, se poate realiza montarea în serie contra-rotor, la care rotoarele sunt acționate independent în sensuri opuse realizând performanțe superioare unei montări obișnuite, în serie.

5.1.1.3 Ventilatoare cu curent transversal Se utilizează, în mod obișnuit, în componența unor utilaje și aparate de climatizare. Ele au un rotor lung, uneori amplasat de ambele părți ale axului motorului electric de antrenare, secțiunile de aspirație și de refulare fiind dezvoltate pe toată lungimea rotorului, iar caracteristicile ventilatorului fiind direct dependente de lungimea acestuia (fig. 7.1.1).

5.1.2 7.1.2. Curbe caracteristice

5.1.2.1 Construirea curbei caracteristice a rețelei de canale de aer În rețeaua de canale de aer se pierde, prin frecare și datorită pieselor speciale, o anumită sarcină hidraulică. Dependența dintre pierderile de sarcină și debitul de aer vehiculat prin rețeaua de canale este dată de curba caracteristică a rețelei R.

118

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

Expresia curbei caracteristice a rețelei se poate obține scriind pierderea de sarcină pe un tronson având diametrul d:

∆p =

λ

ld + Σξ

ρv2

2 =

λ

ld + Σξ

ρ2

V• 2

(π·d2/4)2 =

λ

ld + Σξ

ρ2

16 V• 2

π 2·d4 = M·V• 2(7.1.1) (5.69)

unde: ∆p - pierderea de sarcină [Pa]; λ - coeficientul de rezistență hidraulică liniară; l - lungimea canalului [m]; d - diametrul acestuia [m]; ξ - coeficientul de pierdere locală de

sarcină; v - viteza aerului în canal [m/s]; ρ - densitatea aerului [kg/m3]; V• - debitul de aer

[m3/s]; M - modulul de rezistență hidraulică.

În condițiile concrete în care pentru o instalație dată se cunosc pierderile de sarcină ∆p0, la

un debit al acesteia V•

0, se poate determina constanta M, cu relația:

M = ∆p0/V•

02 = ∆p/V• 2 (7.1.2) (5.70)

rezultând ecuația caracteristică a rețelei:

∆p = ∆p0·

V

•

V•

0

2

[Pa] (7.1.3) (5.71)

Cu ajutorul acestei ecuații se construiește curba caracteristică a rețelei R, plasând în

abscisă debitul de aer V• și în ordonată pierderea de sarcină ∆p, obținută cu relația 7.1.3.

5.1.2.2 Curbele caracteristice ale ventilatoarelor Un ventilator oarecare vehiculează un debit de aer cu o anumită energie, consumând, cu un randament energetic propriu, o anumită putere, producând în timpul funcționării un anumit nivel de zgomot. Curbele caracteristice ale ventilatoarelor, pentru diferite turații, reprezintă variația presiunii ∆p, a puterii absorbite P, a randamentului η, și a nivelului de zgomot în funcție de debitului

de aer V•.

Aceste curbe sunt diferite în funcție de tipul ventilatorului; ele se determină experimental pentru fiecare tip de ventilator în parte și sunt redate orientativ în figura 7.1.6.

119

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

Figura 5.4 Fig. 7.1.6. Curbele caracteristice ale ventilatoarelor. :

a - ventilatoare radiale cu pale orientate înapoi; b - ventilatoare radiale cu pale drepte (radiale);

c - ventilatoare radiale cu pale orientate înainte și d - ventilatoare axiale

Curbele sunt date pentru ventilatoarele radiale: a - cu pale orientate înapoi; b - cu pale drepte (radiale); c - cu pale orientate înainte și d - pentru ventilatoarele axiale. Astfel, ventilatoarele radiale cu pale orientate înapoi, la care caracteristica debit - presiune este descendentă, nu pot fi folosite într-o instalație la care pierderea de sarcină crește în timp. Ventilatoarele radiale cu pale orientate înainte au caracteristica debit - presiune cu o pantă mai lentă, dar au o caracteristică debit - putere absorbită, ascendentă, ceea ce înseamnă că, la o creștere relativ mică a debitului, creșterea de putere este însemnată. Pentru alegerea unui tip de ventilator într-o instalație trebuie analizate, comparativ, curbele caracteristice, alegându-se acel ventilator care corespunde cât mai mult condițiilor impuse de instalația în care este montat (dimensiuni, debit, putere absorbită, consum energetic, nivel de zgomot).

120

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

Analiza comparativă a ventilatoarelor trebuie însă să se facă pentru ventilatoare de caracteristici foarte apropiate (tip, dimensiuni, consum energetic). Pentru analiza comparativă a diverselor ventilatoare se utilizează, în prezent, coeficienții adimensionali de debit j, de presiune y, și de putere absorbită l. Cu ajutorul acestora se pot trasa curbe caracteristice adimensionale care sunt valabile pentru modelele pe care se realizează măsurătorile și nu pot fi utilizate decât pentru ventilatoare din aceeași clasă care au dimensiuni proporționale. Variația principalilor parametri ai ventilatoarelor, în funcție de turația ventilatorului, este dată de relațiile:

V•

1

V•

2

= n1

n2 ;

∆p1

∆p2=

n1

n2

2 ;

P1

P2=

n1

n2

3 (7.1.4) (5.72)

unde:

V•

1, V•

2 - debitul de aer al ventilatorului la turația n1 respectiv n2 [m3/s];

∆p1, ∆p2 - presiunea ventilatorului la turația n1 respectiv n2 [Pa];

P1, P2 - puterea absorbită de ventilator la turația n1 respectiv n2 [W]. Puterea necesară la axul ventilatorului, P, se poate calcula cu relația:

P = L∆p/η [W] (7.1.5) (5.73)

cu L [m3/s] și ∆p [Pa].

http://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2011-11/ Producătorii de ventilatoare redau curbele debit - presiune, debit - putere absorbită, debit - randament și debit - nivel de zgomot pentru fiecare tipodimensiune de ventilator, pentru mai multe turații ale acestuia. Un asemenea set de curbe este redat în figura 7.1.7. Curbele pot fi trasate și în coordonate logaritmice caz în care ele vor fi drepte ca și curba rețelei.

121

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

Figura 5.5 Fig. 7.1.7. Curbele caracteristice pentru ventilatorul radial

122

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

5.1.3 7.1.3. Funcționarea ventilatoarelor în serie sau în paralel De multe ori, un singur ventilator nu poate asigura parametrii ceruți de rețeaua de canale de aer unde este montat și de aceea este necesară montarea ventilatoarelor în paralel sau în serie. Montarea în paralel se utilizează pentru realizarea unor debite mai mari, în timp ce montarea în serie se utilizează pentru realizarea unor presiuni mai mari.

5.1.3.1 Legarea în paralel a două ventilatoare Ventilatoarele se montează în paralel atunci când debitul de aer necesar în instalație este mai mare decât cel pe care îl poate da un singur ventilator. La montarea în paralel, ventilatoarele pot fi de aceleași sau de diferite tipuri. Legarea în paralel a două ventilatoare de același tip (cu aceeași curbă caracteristică) este reprezentată în figura 7.1.8 a. Notând cu c, curba caracteristică a unui ventilator și cu 2c, curba însumată a acestora, care reprezintă dublarea pe abscisă a curbei c, se pot determina caracteristicile grupului de ventilatoare, la intersecția curbei 2c cu curba caracteristică a rețelei R. Notând cu A punctul de funcționare a unui ventilator și cu B, pe cel al grupului de ventilatoare se constată că debitul de aer LB, furnizat de grupul celor două ventilatoare, nu este egal cu dublu debitului de aer LA, al unui ventilator care ar funcționa singur (LB < 2LA).

123

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

Figura 5.6 Fig. 7.1.8. Legarea ventilatoarelor în paralel: a - de același tip; b - de tipuri diferite.

La legarea în paralel a două ventilatoare de tipuri diferite (având curbe caracteristice diferite) curba caracteristică a grupului de ventilatoare va fi c1 + c2 care reprezintă însumarea pe abscisă a curbei c1, a ventilatorului V1, cu curba c2, a ventilatorului V2 (fig. 7.1.8 b). Punctul de funcționare C, al grupului de ventilatoare V1 și V2 se va afla la intersecția curbei c1 + c2 cu curba caracteristică a rețelei R și, în acest caz, debitul de aer realizat de cele două ventilatoare va fi mai mic decât cel al ventilatoarelor funcționând singure LA și LB (Lc < LA + LB). Pot exista însă situații în care funcționarea în paralel a ventilatoarelor de tipuri diferite este dezavantajoasă.

• Astfel dacă curba caracteristică a rețelei ar fi R1, punctul de funcționare ar fi F, iar

debitul de aer V•

F, egal cu cel furnizat de ventilatorul V2, ceea ce înseamnă că ventilatorul V1 funcționează în gol.

• Dacă curba rețelei este R2, căruia îi corespunde punctul de funcționare E, atunci funcționarea este și mai dezavantajoasă deoarece debitul de aer vehiculat de cele

două ventilatoare LE este mai mic decât V•

D, debitul realizat de ventilatorul V2, dacă ar funcționa singur.

R2: D(V2) ⇒ E(V1+V2) !; R1: F(V2) = F(V1+V2); R: Vc < VA + VB

5.1.3.2 Legarea în serie a două ventilatoare Se utilizează atunci când presiunea realizată de un ventilator nu este suficientă pentru a învinge pierderile de sarcină din rețeaua de canale unde acesta este montat. Ca și în cazul legării în paralel a două ventilatoare, se pot lega în serie ventilatoare de același tip sau de tipuri diferite. La legarea în serie a două ventilatoare de același tip, curba caracteristică a grupului va fi realizată prin dublarea ordonatelor curbei c, care este curba caracteristică a unui ventilator (fig. 7.1.9 a) obținându-se curba 2c.

Presiunea realizată de cele două ventilatoare înseriate ∆pB este mai mică decât dublul presiunii realizate de un ventilator ∆pA, lucrând singur.

124

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

Figura 5.7 Fig. 7.1.8. Legarea ventilatoarelor în serie: a - de același tip; b - de tipuri diferite.

La înserierea a două ventilatoare de tipuri diferite ale căror curbe sunt c1 și c2 se obține curba caracteristică c1 + c2 (fig. 7.1.9 b). Pentru o rețea dată, cu caracteristica R, punctul de funcționare al celor două ventilatoare, funcționând în serie este C. În această situație presiunea, ∆pC, dată de cele două ventilatoare împreună, este mai mică decât suma presiunilor date de cele două ventilatoare ∆pB și ∆pA, dacă ele ar lucra independent.

• Dacă curba rețelei este R1, grupul celor două ventilatoare va avea punctul de funcționare în D și presiunea furnizată va fi egală cu cea a ventilatorului V2, astfel că ventilatorul V1 va funcționa în gol.

• Dacă curba rețelei este mai puțin înclinată (R2 în fig. 7.1.9 b) punctul de funcționare al celor două ventilatoare funcționând în serie va fi E, presiunea furnizată de grup, ∆pE fiind mai mică decât a ventilatorului V2 la funcționarea independentă a acestuia.

5.1.3.3 Funcționarea ventilatoarelor în rețea Într-o instalație de ventilare un ventilator poate lucra în următoarele situații:

aspirant (A) când acesta are montată o rețea de canale de aer pe partea de aspirație, gura de refulare fiind liberă;

refulant (R) când ventilatorul refulează într-o rețea de canale de aer, aspirația acestuia fiind liberă;

aspirant-refulant (AR) când ventilatorul are canale de aer atât pe partea de aspirație cât și pe refulare.

5.1.4 7.1.4. Reglarea debitului de aer al ventilatoarelor În multe situații, în practică, caracteristicile ventilatoarelor din cataloagele producătorilor sunt diferite de cele cerute de proiectanți sau caracteristicile instalației se modifică în timp și ventilatoarele nu mai sunt corespunzătoare. Din acest motiv trebuie efectuată, de fiecare dată când este nevoie, reglarea debitului de aer al ventilatoarelor.

125

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

Figura 5.9 Fig. 7.1.12. Reglarea debitului de aer la ventilatoare:

a - prin modificarea turației; b - prin rezistențe locale; c - cu dispozitiv de reglare la aspirație; d - dispozitivul de reglare.

Reglarea debitului de aer al ventilatoarelor se face prin una din următoarele metode: a - Reglarea debitului de aer prin modificarea turației ventilatorului (fig. 7.1.12 a). Să

presupunem că debitul de aer furnizat de ventilator este V•

A și cel necesar este V•

B. Punctul de funcționare al ventilatorului A se va afla la intersecția curbei caracteristice a rețelei R cu curba caracteristică a ventilatorului C1, corespunzătoare turației n1. Aducerea punctului de funcționare din A în B se va face prin reducerea turației de la n1 la n2 și modificarea curbei caracteristice din C1 în C2.

În acest caz, debitul de aer va scădea la V•

B și, odată cu el, va scădea și puterea absorbită de la PA la PB, procedeul de reglare prin modificarea turației fiind avantajos, deoarece reduce consumul de energie. Dacă este necesară mărirea debitului de aer se va proceda la mărirea turației ventilatorului, dar trebuie avut în vedere că odată cu aceasta va crește și puterea absorbită și există riscul distrugerii motorului electric, dacă puterea absorbită este mai mare decât cea nominală, a motorului electric. Modificarea turației ventilatorului se poate face prin metode:

• mecanice: schimbarea roților de curea; transmisii planetare; cutie de viteze; cuplaj hidraulic; motoreductoare etc.

• electrice: cuplaje electromagnetice; variația rezistenței rotorice la motoarele cu curent alternativ cu rotorul bobinat; reglarea tensiunii de alimentare a motoarelor asincroane; utilizarea motoarelor asincrone cu mai multe viteze; utilizarea motoarelor de curent continuu.

126

Versiunea din 3 iunie 2016 7.1. Ventilatoare

b - Reglarea debitului de aer prin rezistențe locale (fig. 7.1.12 b). Punctul de funcționare a sistemului este A, aflat la intersecția caracteristicii reale a instalației R cu caracteristica

ventilatorului C, punct căruia îi corespunde debitul V•

A, mai mare decât cel necesar V•

B. Pentru a deplasa punctul de funcționare din A în B se introduce o rezistență hidraulică suplimentară (prin modificarea poziției șibărului de pe aspirație), care va schimba caracteristica rețelei în R1 și va conduce la o creștere a puterii absorbite de la PA la PB. Acest gen de reglare este dezavantajos deoarece crește consumul energetic, dar este des utilizat în practică datorită simplității sale. c - Reglarea debitului de aer prin dispozitiv special montat pe racordul de aspirație al ventilatorului (fig. 7.1.12 c) Dispozitivul de reglare cu secțiune circulară este alcătuit dintr-un număr de palete triunghiulare (gen evantai) care se rotesc în jurul unei axe, cu unul din capete amplasat pe un butuc fixat în axul racordului de aspirație, iar celălalt cap la circumferința acestuia. Paletele sunt, în mod normal, deschise, fiind paralele față de curentul de aer (cu axul canalului de absorbție). Prin rotirea în jurul axei proprii, paletele obturează, parțial sau total, secțiunea de trecere a aerului și modifică în mod corespunzător caracteristica de funcționare a ansamblului ventilator - dispozitiv de reglare.

Punctul de funcționare A care corespunde paletelor deschise când unghiul este α = 90° se va deplasa în B dacă unghiul de înclinare al paletelor va deveni α = 30°. Puterea absorbită în acest caz va scădea de la PA la PB. Reglarea se poate face prin acționarea manuală a dispozitivului de reglare sau prin intermediul unui dispozitiv cu aer comprimat sau a unuia electromecanic. Reglarea se va face chiar în timpul funcționării instalației dacă s-a produs o modificare importantă a rezistenței aeraulice a acesteia. Acest tip de reglare se utilizează și pentru ventilatoare axiale care au montat un asemenea dispozitiv. Procedeul este economic, ușor de aplicat, dar dispozitivul de reglare este scump și, din acest motiv, este puțin utilizat

5.1.5 7.1.5. Alegerea ventilatoarelor pentru centralele de ventilare și climatizare Alegerea ventilatoarelor este o problemă foarte importantă care nu are o soluție unică și implică, atât criteriile tehnice cât și cele economice. În vederea alegerii ventilatoarelor trebuie cunoscute

• debitul de aer L [m3/s], • pierderea de sarcină ∆p în rețea [Pa], • condițiile de silențiozitate pe care trebuie să le îndeplinească acestea în instalație; • poziția în care se va monta ventilatorul, respectiv, dimensiunile maxime pe care

ventilatorul le-ar putea avea; • sistemul de antrenare și, nu în ultimul rând, • costurile de achiziție. Debitul de aer este cel al instalației, iar presiunea ventilatorului reprezintă suma pierderilor de sarcină, pe canalul de aer proaspăt până la agregatul de climatizare, în agregatul de climatizare și pe canalele de aer refulat până la gura de aer, dezavantajată hidraulic. Acestea vor fi corectate cu relațiile 7.1.6, dacă este cazul, și în funcție de amplasarea reală

127

C08 Capitolul 7: Elemente componente ale instalațiilor [2F]

a ventilatorului în instalație. Pentru alegerea ventilatorului, pe lângă elementele enumerate mai sus, trebuie cunoscute caracteristicile tehnice ale ventilatoarelor ce se vor utiliza. Cunoscând aceste elemente alegerea ventilatorului constă în: a - Alegerea tipului de ventilator corespunzător cerințelor de zgomot și de gabarit impuse de instalația pe care acesta urmează să o deservească: • la instalațiile fără tubulatură - ventilator axial; • la instalațiile de ventilare generală - ventilator radial de uz general; • la instalațiile de climatizare - ventilator radial silențios. b - Alegerea poziției de montare pentru ventilatoare radiale, astfel ca traseul canalelor să fie cât mai scurt și cu piese speciale cât mai puține; c - Alegerea tipodimensiunii corespunzătoare în funcție de debit și de presiunea necesară, în conformitate cu indicațiile producătorilor, date în cataloagele de produse. Punctul de funcționare a ventilatorului se află la intersecția curbei caracteristice a rețelei R, cu curba caracteristică a ventilatorului C. La alegerea ventilatorului se are în vedere ca punctul de funcționare să se afle într-o zonă de randament maxim sau în apropierea acesteia. În situațiile reale, unul sau altul din criteriile de alegere ale ventilatorului poate fi preponderent, decizia luându-se în funcție de acesta.

5.2 C09 7.2. Baterii pentru încălzirea aerului

5.2.1 7.2.1. Baterii de încălzire cu abur și apă Bateriile pentru încălzirea aerului sunt elemente care intră în componența agregatelor de ventilare-climatizare și aerotermelor. După agentul purtător de căldură, bateriile de încălzire pot fi

• cu abur, • apă caldă sau fierbinte, • gaze de ardere sau • electrice. Dpdv constructiv, elementul încălzitor al unei baterii de încălzire funcționând cu abur, apă caldă sau fierbinte, poate fi alcătuit

• din țevi din oțel cu aripioare (circulare, pătrate, hexagonale, alte forme) • din țevi cu bandă spiralată sau • din țevi din cupru cu lamele din aluminiu (fig. 7.2.1).

128