I due tipi di ventilatori più comuni utilizzati nei servizi di edilizia per i sistemi canalizzati sono genericamente denominati ventilatori centrifughi e assiali, il cui nome deriva dalla direzione del flusso d'aria che li attraversa. Questi due tipi sono a loro volta suddivisi in diversi sottotipi sviluppati per fornire specifiche caratteristiche di portata/pressione, oltre ad altri attributi operativi (tra cui dimensioni, rumorosità, vibrazioni, facilità di pulizia, manutenibilità e robustezza).

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Tabella 1: Dati pubblicati negli Stati Uniti e in Europa sull'efficienza massima dei ventilatori per ventilatori di diametro >600 mm

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Alcuni dei tipi di ventilatori più comuni utilizzati negli impianti HVAC sono elencati nella Tabella 1, insieme ai valori indicativi di efficienza di picco raccolti1 da dati pubblicati da diversi produttori statunitensi ed europei. Oltre a questi, negli ultimi anni si è assistito a una crescente popolarità del ventilatore "plug" (che in realtà è una variante del ventilatore centrifugo).

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Figura 1: Curve generiche dei ventilatori. I ventilatori reali possono differire notevolmente da queste curve semplificate.

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Le curve caratteristiche del ventilatore sono illustrate nella Figura 1. Si tratta di curve esagerate e idealizzate, e i ventilatori reali potrebbero differire notevolmente da queste; tuttavia, è probabile che presentino caratteristiche simili. Ciò include le aree di instabilità dovute a oscillazioni, in cui il ventilatore può oscillare tra due possibili portate alla stessa pressione o a causa dello stallo del ventilatore (vedere il riquadro "Stallo del flusso d'aria"). I produttori dovrebbero inoltre identificare gli intervalli di funzionamento "sicuri" preferiti nella loro documentazione.

Ventilatori centrifughi

Nei ventilatori centrifughi, l'aria entra nella girante lungo il suo asse, quindi viene scaricata radialmente dalla girante con il moto centrifugo. Questi ventilatori sono in grado di generare sia pressioni elevate che portate elevate. La maggior parte dei ventilatori centrifughi tradizionali è racchiusa in un alloggiamento a spirale (come in Figura 2) che dirige l'aria in movimento e converte efficacemente l'energia cinetica in pressione statica. Per spostare più aria, il ventilatore può essere progettato con una girante a "doppia larghezza e doppia aspirazione", che consente all'aria di entrare da entrambi i lati dell'alloggiamento.

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Figura 2: Ventilatore centrifugo in cassa a spirale, con girante inclinata all'indietro

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Esistono diverse forme di pale che possono comporre la girante, le principali delle quali sono a curvatura in avanti e a curvatura all'indietro: la forma della pala ne determinerà le prestazioni, l'efficienza potenziale e la forma della curva caratteristica del ventilatore. Altri fattori che influenzano l'efficienza del ventilatore sono la larghezza della girante, lo spazio libero tra il cono di aspirazione e la girante in rotazione e l'area utilizzata per lo scarico dell'aria dal ventilatore (la cosiddetta "area di scarico").

Questo tipo di ventilatore è stato tradizionalmente azionato da un motore con sistema a cinghia e puleggia. Tuttavia, con il miglioramento dei controlli elettronici della velocità e la maggiore disponibilità di motori a commutazione elettronica ("EC" o brushless), gli azionamenti diretti stanno diventando sempre più diffusi. Questo non solo elimina le inefficienze intrinseche di una trasmissione a cinghia (che possono variare dal 2% a oltre il 10%, a seconda della manutenzione2), ma è anche probabile che riduca le vibrazioni, la manutenzione (meno cuscinetti e necessità di pulizia) e renda il gruppo più compatto.

Ventilatori centrifughi a pale rovesce

I ventilatori a pale curve all'indietro (o "inclinati") sono caratterizzati da pale inclinate in senso opposto alla direzione di rotazione. Possono raggiungere efficienze prossime al 90% utilizzando pale a profilo alare, come mostrato in Figura 3, o pale semplici sagomate in tre dimensioni, e leggermente inferiori utilizzando pale curve semplici, e ancora inferiori utilizzando semplici pale piane inclinate all'indietro. L'aria esce dalle estremità della girante a velocità relativamente bassa, quindi le perdite per attrito all'interno della cassa sono ridotte e anche il rumore generato dall'aria è basso. Possono andare in stallo agli estremi della curva di funzionamento. Giranti relativamente più larghe offrono le massime efficienze e possono facilmente utilizzare pale a profilo alare più spesse. Le giranti sottili trarranno scarsi benefici dall'utilizzo di profili alare, quindi tendono a utilizzare pale piane. I ventilatori a pale curve all'indietro sono particolarmente noti per la loro capacità di produrre alte pressioni combinate con bassa rumorosità e hanno una caratteristica di potenza senza sovraccarico: ciò significa che man mano che la resistenza in un sistema diminuisce e la portata aumenta, la potenza assorbita dal motore elettrico si riduce. La struttura dei ventilatori a pale curve all'indietro è probabilmente più robusta e piuttosto più pesante rispetto a quella dei ventilatori a pale curve in avanti, meno efficienti. La velocità relativamente bassa dell'aria attraverso le pale può favorire l'accumulo di contaminanti (come polvere e grasso).

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Figura 3: Illustrazione delle giranti dei ventilatori centrifughi

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Ventilatori centrifughi a pale avanti

I ventilatori a pale avanti sono caratterizzati da un elevato numero di pale curve in avanti. Poiché in genere producono pressioni inferiori, sono più piccoli, leggeri ed economici rispetto ai ventilatori equivalenti a pale curve all'indietro. Come mostrato nelle Figure 3 e 4, questo tipo di girante include oltre 20 pale, che possono essere ricavate da un'unica lamiera. Si ottengono efficienze migliori con dimensioni maggiori e pale formate singolarmente. L'aria esce dalle punte delle pale con un'elevata velocità tangenziale e questa energia cinetica deve essere convertita in pressione statica nella cassa, il che ne riduce l'efficienza. Sono tipicamente utilizzati per volumi d'aria da bassi a medi a bassa pressione (normalmente <1,5 kPa) e hanno un'efficienza relativamente bassa, inferiore al 70%. La cassa a coclea è particolarmente importante per ottenere la migliore efficienza, poiché l'aria esce dalle punte delle pale ad alta velocità e viene utilizzata per convertire efficacemente l'energia cinetica in pressione statica. Funzionano a basse velocità di rotazione e, di conseguenza, i livelli di rumore generati meccanicamente tendono a essere inferiori rispetto ai ventilatori a pale curve all'indietro ad alta velocità. La ventola ha una caratteristica di sovraccarico di potenza quando funziona con basse resistenze di sistema.

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Figura 4: Ventilatore centrifugo a pale avanti con motore integrato

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Questi ventilatori non sono adatti, ad esempio, quando l'aria è molto contaminata da polvere o contiene gocce di grasso intrappolate.

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Figura 5: Esempio di ventilatore a spina a trasmissione diretta con pale curve all'indietro

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Ventilatori centrifughi a pale radiali

Il ventilatore centrifugo a pale radiali ha il vantaggio di poter spostare particelle d'aria contaminate ad alte pressioni (nell'ordine dei 10 kPa), ma, funzionando ad alta velocità, è molto rumoroso e inefficiente (<60%) e quindi non dovrebbe essere utilizzato per impianti HVAC generici. Presenta inoltre una caratteristica di sovraccarico di potenza: riducendo la resistenza del sistema (ad esempio aprendo le serrande di controllo della portata), la potenza del motore aumenta e, a seconda delle dimensioni del motore, potrebbe verificarsi un "sovraccarico".

Ventilatori a spina

Invece di essere montate in una cassa a spirale, queste giranti centrifughe appositamente progettate possono essere utilizzate direttamente nella cassa dell'unità di trattamento aria (o, in effetti, in qualsiasi condotto o plenum), e il loro costo iniziale è probabilmente inferiore a quello dei ventilatori centrifughi in cassa. Noti come ventilatori centrifughi "plenum", "plug" o semplicemente "senza cassa", questi possono offrire alcuni vantaggi in termini di spazio, ma al prezzo di una perdita di efficienza operativa (con le migliori efficienze simili a quelle dei ventilatori centrifughi a pale avanti in cassa). I ventilatori aspirano l'aria attraverso il cono di ingresso (allo stesso modo di un ventilatore in cassa) ma poi la scaricano radialmente lungo l'intera circonferenza esterna di 360° della girante. Possono offrire una grande flessibilità di connessioni di uscita (dal plenum), il che significa che potrebbe esserci meno necessità di curve adiacenti o transizioni brusche nelle canalizzazioni che di per sé aumenterebbero la caduta di pressione del sistema (e, di conseguenza, la potenza aggiuntiva del ventilatore). L'efficienza complessiva del sistema può essere migliorata utilizzando ingressi a bocca svasata nei condotti in uscita dal plenum. Uno dei vantaggi dei ventilatori a spina è il miglioramento delle prestazioni acustiche, dovuto in gran parte all'assorbimento acustico all'interno del plenum e all'assenza di percorsi "a vista diretta" dalla girante all'imboccatura dei condotti. L'efficienza dipenderà in larga misura dalla posizione del ventilatore all'interno del plenum e dalla sua posizione rispetto alla bocca di uscita: il plenum viene utilizzato per convertire l'energia cinetica dell'aria e quindi aumentare la pressione statica. Prestazioni sostanzialmente diverse e diverse stabilità di funzionamento dipenderanno dal tipo di girante: le giranti a flusso misto (che forniscono una combinazione di flusso radiale e assiale) sono state utilizzate per superare i problemi di flusso derivanti dal forte flusso d'aria radiale creato utilizzando semplici giranti centrifughe3.

Per le unità più piccole, il design compatto è spesso completato dall'uso di motori EC facilmente controllabili.

Ventilatori assiali

Nei ventilatori assiali, l'aria attraversa il ventilatore seguendo l'asse di rotazione (come mostrato nel ventilatore assiale a tubo semplice di Figura 6) – la pressurizzazione è prodotta dalla portanza aerodinamica (simile all'ala di un aereo). Questi ventilatori possono essere relativamente compatti, economici e leggeri, particolarmente adatti a movimentare aria con pressioni relativamente basse, quindi sono frequentemente utilizzati nei sistemi di estrazione dove le perdite di carico sono inferiori rispetto ai sistemi di mandata – la mandata normalmente include le perdite di carico di tutti i componenti del condizionamento dell'aria nell'unità di trattamento aria. Quando l'aria esce da un ventilatore assiale semplice, crea un vortice a causa della rotazione impressa all'aria mentre attraversa la girante – le prestazioni del ventilatore possono essere migliorate significativamente utilizzando pale direzionali a valle per recuperare il vortice, come nel ventilatore assiale a pale mostrato in Figura 7. L'efficienza di un ventilatore assiale è influenzata dalla forma della pala, dalla distanza tra la punta della pala e la cassa circostante e dal recupero del vortice. Il passo della pala può essere modificato per variare in modo efficiente la portata del ventilatore. Invertendo la rotazione dei ventilatori assiali, è possibile invertire anche il flusso dell'aria, sebbene il ventilatore sia progettato per funzionare nella direzione principale.

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Figura 6: Un ventilatore assiale a tubo

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La curva caratteristica dei ventilatori assiali presenta una zona di stallo che può renderli inadatti a sistemi con un'ampia gamma di condizioni operative, sebbene presentino il vantaggio di una caratteristica di potenza senza sovraccarico.

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Figura 7: Un ventilatore assiale a pale

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I ventilatori assiali a palette possono essere efficienti quanto i ventilatori centrifughi a pale curve all'indietro e sono in grado di produrre flussi elevati a pressioni ragionevoli (in genere intorno a 2 kPa), anche se probabilmente generano più rumore.

Il ventilatore a flusso misto è un'evoluzione del ventilatore assiale e, come mostrato in Figura 8, presenta una girante conica in cui l'aria viene aspirata radialmente attraverso i canali di espansione e poi fatta passare assialmente attraverso le pale di guida raddrizzanti. L'azione combinata può produrre pressioni molto più elevate rispetto a quelle ottenibili con altri ventilatori assiali. Efficienze e livelli di rumorosità possono essere simili a quelli di un ventilatore centrifugo a pale rovesce.

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Figura 8: Ventilatore in linea a flusso misto

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L'installazione del ventilatore

Gli sforzi per fornire una soluzione efficace per la ventilazione potrebbero essere seriamente compromessi dalla relazione tra la ventola e i percorsi locali canalizzati per l'aria.

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Data di pubblicazione: 07-01-2022