Ventilatore centrifugo: specifiche del dispositivo e principio di funzionamento dell'apparecchio

Con lo sviluppo del settore industriale, un gran numero di processi tecnologici ha richiesto l'immissione forzata di aria. Anche il settore domestico non è rimasto escluso. Per garantire alcuni tipi di comunicazioni, è necessario un regolare afflusso di aria fresca.

Una soluzione elegante a questo problema è stato il ventilatore centrifugo, in grado di pressurizzare in modo autonomo la quantità necessaria di massa d'aria. Ma come è costruito e come funziona? Sono proprio queste le domande che analizzeremo in dettaglio nel nostro articolo.

Esamineremo le caratteristiche costruttive dell'apparecchio, le sue potenzialità, il campo di applicazione, i migliori produttori i cui prodotti sono presenti sul mercato. Inoltre, forniremo raccomandazioni per la scelta del modello di ventilatore adatto.

L'essenza della pressurizzazione e della depressione dell'aria da parte del ventilatore

Il ventilatore è una struttura meccanica in grado di elaborare il flusso di una miscela gas-aria aumentando la sua energia specifica per il successivo spostamento.

Tale architettura dell'unità offre la possibilità di creare un effetto di pressurizzazione o depressione del gas di lavoro nello spazio attraverso l'aumento o la diminuzione della pressione rispettivamente (meccanismo di conversione dell'energia).

Per pressione del gas si intende il processo infinito di spostamento caotico delle molecole di gas che, urtando contro le pareti di uno spazio chiuso, creano pressione su di esse.

Di conseguenza, maggiore è la velocità di queste molecole, maggiori sono gli urti e maggiore è la pressione. La pressione del gas è una delle caratteristiche principali del gas.

D'altro canto, qualsiasi gas ha altri due parametri: volume e temperatura. Il volume è la quantità di spazio che il gas ha occupato. La temperatura del gas è una caratteristica termodinamica che collega la velocità delle molecole e la pressione da esse generata.

Su questi “tre pilastri” si basa la teoria cinetico-molecolare, che è il fondamento per descrivere tutti i processi legati al trattamento di gas e miscele gassose.

Il processo di compressione consiste nel concentrare forzatamente le molecole in uno spazio chiuso oltre una certa norma. Ad esempio, la pressione atmosferica standard al livello del mare è di circa 100 kPa (10⁵ kilopascal) o 760 mmHg (millimetri di mercurio).

Con l'aumentare dell'altitudine sopra la superficie terrestre, la pressione diminuisce e l'aria diventa rarefatta.

La pressione atmosferica è il peso della colonna d'aria rispetto all'area della superficie su cui si trova. Non la massa, ma appunto il peso P=mg. Viene misurata con un barometro, gli altri tipi di pressione vengono determinati con un manometro.

La depressurizzazione è il processo inverso della compressione, durante il quale le molecole lasciano un sistema chiuso. Il volume rimane lo stesso, ma il numero di molecole diminuisce notevolmente, quindi anche la pressione diminuisce.

L'effetto della compressione è necessario per il movimento forzato dell'aria. È possibile spostare l'aria tramite l'effetto di depressurizzazione: per ripristinare l'equilibrio di pressione in tutto il sistema, le molecole si spostano da un'area a maggiore concentrazione a una a minore concentrazione.

In questo modo avviene il movimento delle molecole di gas.

Per determinare la velocità del flusso d'aria all'esterno o all'interno di un edificio, viene spesso utilizzato uno strumento speciale: l'anemometro. Uno strumento indispensabile per la progettazione di sistemi di ventilazione.

Esistono varie configurazioni di sistemi di ventilazione, ma possono essere approssimativamente suddivisi in diverse classi in base a determinati parametri:

1. Per scopo. Si distinguono ventilatori di uso generale e speciale. I ventilatori vengono utilizzati per il normale spostamento di gas. I ventilatori speciali sono utilizzati per il trasporto pneumatico, il trasporto di miscele gassose aggressive ed esplosive.
2. Per velocità. Esistono con frequenza di rotazione della girante bassa, media e alta.
3. Per range di pressione. Sono noti sistemi di generazione di bassa (fino a 1 kPa), media (1-3 kPa) e alta (oltre 3 kPa) pressione.

Alcuni processi industriali e domestici che utilizzano soffianti si verificano in condizioni ambientali estreme, quindi vengono imposti requisiti adeguati alle apparecchiature.

Pertanto, si possono menzionare unità e dispositivi antipolvere, impermeabili, termoresistenti, anticorrosione, antiscintilla per l'estrazione del fumo e ventilatori ordinari.

Le informazioni sui tipi di ventilatori sono trattate in dettaglio in un altro nostro articolo.

Costruzione del ventilatore di tipo centrifugo

Il sistema di costruzione centrifuga è un meccanismo di pressione con architettura radiale, in grado di generare pressione di qualsiasi portata.

Progettato per il trasporto di gas mono- e poliatomici, compresi composti chimicamente “aggressivi”.

La struttura è “rivestita” da un involucro in metallo/plastica, chiamato cappa di protezione. L'involucro protegge la camera interna da polvere, umidità e altre sostanze che potrebbero influire negativamente sul funzionamento dell'unità.

Un prodotto di ventilazione di qualità ha sempre una determinata classe di protezione. Il grado di protezione dell'involucro (Ingress Protection) è uno standard internazionale unico di qualità del prodotto, che determina il livello di protezione dell'apparecchiatura dall'influenza dell'ambiente.

Il ventilatore di tipo radiale sviluppa una pressione significativamente maggiore rispetto al tipo assiale. Ciò è dovuto alla trasmissione di energia alla porzione d'aria entrata nel tamburo, che si forma durante il passaggio dall'ingresso all'uscita del sistema.

Il meccanismo è azionato da un motore elettrico o da un motore a combustione interna (tipico per ventilatori industriali). Il metodo più comune è il motore elettrico, che fa ruotare l'albero con la girante.

Sono noti diversi modi di trasmettere il moto rotatorio dal motore alla girante:

• giunto elastico;
• trasmissione a cinghia trapezoidale;
• trasmissione a variazione continua (giunto idraulico o a induzione a slittamento).

Considerando l'esistenza di un enorme numero di aziende produttrici che creano sistemi unici con parametri dinamici molto diversi, i consumatori hanno a disposizione una gamma piuttosto ampia di ventilatori.

Nel corpo sono presenti due canali principali: di ingresso e di uscita. La miscela gassosa entra nel primo canale, si sposta nella camera, viene trattata e poi esce nell'altro.

Grazie all'intenso lavoro dei progettisti, abbiamo un'ampia gamma di applicazioni per queste macchine, tra cui:

• sistemi di ventilazione e riscaldamento in case private e condomini;
• alimentazione e purificazione dell'aria per edifici non residenziali;
• sistemi di filtrazione in agricoltura;
• esecuzione di processi tecnologici nell'industria leggera e pesante di vario tipo.

Esistono anche applicazioni dei ventilatori nei sistemi antincendio e per il ricambio ultra rapido dell'aria in spazi chiusi.

Tali ventilatori operano con miscele di gas ad alta temperatura, obbligando i produttori a includere nella documentazione tecnica informazioni sulla conformità dei propri apparecchi agli standard internazionali.

La comprovata e semplice costruzione del meccanismo centrifugo presenta una serie di chiari vantaggi:

• elevata affidabilità e prestazioni ineguagliabili;
• facilità e accessibilità della manutenzione dell'apparecchiatura;
• sicurezza di integrazione e funzionamento dei gruppi;
• costi minimi per energia e riparazioni in caso di guasto.

Inoltre, i soffiatori si distinguono per una soglia di rumorosità piuttosto bassa, che ne consente l'uso in ambito domestico. I ventilatori centrifughi hanno anche una durata eccezionalmente lunga grazie all'assenza di contatto diretto tra le parti in movimento nella camera di lavoro.

Caratteristiche del ciclo di lavoro dell'apparecchio

Consideriamo il principio generale di funzionamento di un ventilatore centrifugo a costruzione radiale. Notiamo che gli specialisti distinguono due costruzioni principali di ventilatore: con posizionamento assiale e radiale del foro di ingresso dove viene aspirato il flusso d'aria.

Ciò influisce principalmente sulla modalità di installazione del ventilatore nel sistema e non ha quasi effetto sulla prestazione complessiva.

Un ventilatore di tipo radiale può funzionare sia con aria normale prelevata dall'ambiente, sia con aria in flusso che passa attraverso un condotto (effetto di bilanciamento di zone a diversa pressione).

L'apertura di ingresso assiale è caratteristica per i ventilatori di mandata di uso generale. La disposizione radiale dell'ingresso del flusso è tipica dei ventilatori per uso principale.

Nella prima fase del ciclo di lavoro del ventilatore, il flusso d'aria si sposta sulla superficie dell'impeller in rapida rotazione. Le pale della girante dividono l'aria in piccoli volumi che si muovono all'interno della camera di lavoro.

Qui avviene l'accumulo della massa d'aria, cioè la compressione diretta della massa d'aria in un piccolo volume.

La stessa struttura del corpo dell'unità ha le sue peculiarità.

Sono note due forme di corpo più comuni:

• rotonde;
• a spirale.

La forma rotonda del corpo è tipica dei ventilatori che spostano enormi quantità d'aria in poco tempo durante il processo. La forma a spirale è invece propria dei ventilatori che producono anche la compressione del volume d'aria e la generazione di pressioni medie e alte.

Nella seconda fase avviene la compressione dell'aria nella camera di lavoro. Come è noto, a volume costante, all'aumentare della massa totale delle molecole di gas, aumenta il numero di collisioni molecolari e quindi aumenta anche la loro velocità. Di conseguenza, aumenta anche la pressione del gas.

La forma e il numero di pale hanno grande importanza. Tutte le varianti di impeller, senza eccezioni, vengono testate in gallerie del vento per determinare le condizioni operative ottimali.

Nella fase finale, il gas compresso viene scaricato dalla camera di lavoro verso l'apertura di uscita. Successivamente, l'aria passa nel condotto centrale e si muove nella direzione indicata.

Il processo di rarefazione avviene esattamente al contrario. L'aria viene prelevata da una tubazione d'aria o da uno spazio chiuso in cui è necessario creare una zona rarefatta, e viene espulsa nell'ambiente esterno o in un altro spazio confinato.

Specifiche del ventilatore centrifugo

I sistemi di compressori sono caratterizzati da una serie di differenze costruttive e dinamiche che devono essere considerate nella loro selezione e integrazione nel sistema di ventilazione.

La specifica include:

• la stessa struttura del ventilatore;
• tipo di motore;
• unità di controllo;
• la posizione della girante e la trasmissione del movimento rotatorio dal motore;
• l'angolo di posizionamento del bocchettone di ingresso e di uscita;
• il materiale di cui sono realizzati i componenti del prodotto, le sue dimensioni e il peso.

Gli specialisti prestano attenzione anche alla conformità dei prodotti alle normative internazionali: standard ISO/IEC e GOST, marcature IP, direttive ATEX, ecc.

Le caratteristiche dinamiche includono i parametri tecnici delle prestazioni del ventilatore: pressione generata e coefficiente di differenziale di pressione, velocità e temperatura massima del flusso, frequenza di rotazione dell'albero e livello di pressione sonora, efficienza e potenza del motore.

Pressione generata – il valore massimo che un ventilatore può creare durante il funzionamento in modalità nominale.

P_v = P_sv + P_dv,

Dove: P_v – pressione totale, P_sv – pressione statica, P_dv – pressione dinamica.

Coefficiente di differenza – differenza tra la pressione in ingresso e quella generata (bar).

Portata volumetrica dell'aria – quantità di miscela gassosa che si sposta nell'unità di tempo (prestazione). Di solito viene calcolata in m³/h per i produttori nazionali, l/min – per quelli esteri.

Frequenza di rotazione – numero di giri completi della girante nell'unità di tempo. Si calcola in giri/s o Hz. È necessario ricordare che il livello di carico del ventilatore non deve superare il 75% del massimo.

Funzionando a lungo in sovraccarico con alta velocità di rotazione, il ventilatore si surriscalda e può rapidamente guastarsi. Ma questo processo può essere controllato, gestendolo a propria discrezione. A tal fine si utilizza un regolatore di velocità di rotazione del ventilatore.

Pressione sonora – livello di rumore dovuto alle parti rotanti e all'attrito dell'aria con il metallo. Viene misurata a una distanza di 3 metri dalla sorgente, quando questa funziona in modalità di carico massimo. È necessario considerare il rumore quando si sceglie un ventilatore a funzionamento continuo.

La maggior parte delle apparecchiature è dotata di dissipatori di rumore e suoni di fondo. Norme per il rumore: non superiore a 50 dB(A) per ambienti domestici e non superiore a 75 dB(A) per ambienti industriali.

Uno dei dispositivi con un livello di rumore trascurabile è il ventilatore senza pale.

Il rendimento del ventilatore è il prodotto dei tre coefficienti indicati di seguito:

• perdite nel flusso d'aria;
• perdite attraverso i giochi nella struttura;
• rendimento meccanico del prodotto.

Per i ventilatori centrifughi, il rendimento totale è compreso tra 0,7 e 0,85, per quelli assiali (canalizzati) – non superiore a 0,95. Scegliendo un ventilatore radiale, è necessario considerare un coefficiente di sicurezza del motore elettrico di 1,2. Cioè, selezionare la potenza del motore elettrico superiore del 20% rispetto a quella necessaria.

La potenza del motore elettrico del ventilatore è determinata dalla formula:

N = (Q*P)/(102*3600*η),

Dove: Q – prestazione (portata volumetrica dell'aria), P – pressione generata.

Selezione del ventilatore in base ai requisiti

Il processo di selezione delle apparecchiature di ventilazione per un sito industriale (officina, hangar) è un processo piuttosto interessante e complesso che deve essere svolto da uno specialista. Le caratteristiche della ventilazione degli ambienti produttivi sono esaminate in dettaglio qui.

Per appartamenti normali e case private esistono già soluzioni pronte. In generale (per un appartamento di 2–3 stanze) abbiamo la seguente architettura del sistema di ventilazione:

• Nelle stanze da soggiorno vengono installati aeratori, il cui numero dipende dalle dimensioni degli ambienti e dal numero di inquilini;
• in cucina e nel bagno vengono integrati diffusori di aspirazione e inoltre vengono posati i canali d'aria verso l'unità di ventilazione di mandata e di estrazione.

Il ventilatore centrifugo include un'unità di controllo, un sistema di filtraggio per la purificazione dell'aria, un motore elettrico e lo stesso ventilatore radiale.

Per il sistema di ventilazione sopra indicato, sono adatti i ventilatori da parete della serie TsF prodotti da Vents con una portata fino a 120 m³/h

L'attuale mercato delle apparecchiature di ventilazione è rappresentato da un'ampia gamma di aziende di produzione estera: Systemair, Soler&Palau, OSTBERG, Rosenberg, HELIOS, Maico, Ruck Ventilatoren GmbH, AeroStar, Blauberg, Elicent, Rhoss, Frapol, CMT CLIMA, HygroMatik GmbH, Winterwarm, Tecnair LV, AERIAL GmbH, MITA.

I prodotti di queste aziende saranno un'ottima soluzione per qualsiasi progetto di ventilazione di qualsiasi portata.

Non sono da meno per quanto riguarda la qualità di produzione e l'affidabilità delle apparecchiature i marchi nazionali Vents, Elcom, Domovent e Veza. In caso di dubbi sull'accuratezza dei calcoli effettuati o sulla scelta di un modello specifico, consigliamo di contattare il servizio di assistenza di una qualsiasi di queste aziende.

Se Lei è proprietario di una casa privata di 1-2 piani, di un edificio produttivo o commerciale di simile superficie (ristorante, magazzino, mensa, caffè, ufficio), nella scelta dell'attrezzatura è necessario tenere conto del volume degli ambienti, del tasso di ricambio d'aria, della lunghezza e della sezione delle tubazioni principali.

Per i compiti di ventilazione e rimozione del fumo, sono facilmente adatti i ventilatori multizona o i ventilatori da tetto della serie KROM dell'azienda Veza, i ventilatori della serie VN dell'azienda Vents e altri

Si assicuri di prestare attenzione alle funzionalità aggiuntive dei ventilatori centrifughi e alla possibilità di integrazione in vari sistemi di condizionamento.

Così, i ventilatori radiali possono essere dotati di componenti ausiliari:

• timer regolabili e interruttori a intervalli, sensori di luce e rilevatori di umidità;
• regolatori di velocità e indicatori di stato;
• sensori di sovraccarico del motore elettrico e di mancanza di alimentazione elettrica di rete;
• smorzatori di vibrazioni a molla o isolatori antivibranti in gomma.

Se il ventilatore è posizionato all'interno di un appartamento o di una casa, può essere coperto con un pannello decorativo frontale rimovibile in alluminio o plastica, tenendo conto dell'arredamento della stanza.

Per molti utenti un criterio essenziale nella scelta di un ventilatore è il livello di rumore. Sceglie un ventilatore silenzioso per il bagno? Le consigliamo di consultare la classifica dei ventilatori silenziosi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video seguente, gli specialisti dell'azienda Elcom spiegano in modo chiaro i ventilatori centrifughi:

Di seguito è mostrato un eccellente esempio di installazione di un ventilatore domestico in bagno:

Un'altra opzione per installare un ventilatore domestico a bassa potenza in un appartamento:

Il ventilatore centrifugo classico è il risultato di anni di esperienza nella progettazione e produzione di apparecchiature per la ventilazione. Non è solo un'ottima soluzione per l'industria, ma anche lo strumento ottimale per il trasporto dell'aria in ambienti residenziali e uffici.

Sta pensando di acquistare un ventilatore centrifugo? O ha notato un'incongruenza nel materiale analizzato? Ponga le sue domande e chiarisca gli aspetti tecnici nella sezione commenti.

O forse ha già installato un ventilatore di questo tipo in bagno? È soddisfatto del suo funzionamento? Ha scelto correttamente la potenza dell'apparecchio per il suo ambiente? Invi la foto del suo ventilatore e lasci i suoi commenti.