Ventilatoren voor kanaalventilatiesystemen
In deze module worden centrifugaal- en axiaalventilatoren besproken die worden gebruikt voor kanaalventilatiesystemen. Daarbij worden een aantal aspecten besproken, waaronder hun kenmerken en operationele kenmerken.
De twee meest voorkomende ventilatortypen die in gebouwinstallaties voor kanaalsystemen worden gebruikt, worden over het algemeen centrifugaal- en axiaalventilatoren genoemd – de naam is afgeleid van de richting waarin de lucht door de ventilator stroomt. Deze twee typen zijn zelf onderverdeeld in een aantal subtypen die zijn ontwikkeld om specifieke volumestroom-/drukkenmerken te bieden, evenals andere operationele kenmerken (waaronder afmetingen, geluid, trillingen, reinigbaarheid, onderhoudbaarheid en robuustheid).
Tabel 1: Gepubliceerde Amerikaanse en Europese gegevens over de piekefficiëntie van ventilatoren met een diameter > 600 mm
Enkele van de meest voorkomende ventilatortypen die in HVAC-systemen worden gebruikt, staan vermeld in tabel 1, samen met de indicatieve piekrendementen die zijn verzameld1 uit gegevens van diverse Amerikaanse en Europese fabrikanten. Daarnaast is de 'plug'-ventilator (eigenlijk een variant van de centrifugaalventilator) de laatste jaren steeds populairder geworden.
Figuur 1: Generieke ventilatorcurven. Echte ventilatoren kunnen sterk afwijken van deze vereenvoudigde curven.
Karakteristieke ventilatorcurven worden weergegeven in Figuur 1. Dit zijn overdreven, geïdealiseerde curven, en echte ventilatoren kunnen hiervan afwijken; ze vertonen echter waarschijnlijk vergelijkbare kenmerken. Dit geldt ook voor de instabiliteitsgebieden die te wijten zijn aan 'hunting', waarbij de ventilator kan omslaan tussen twee mogelijke stroomsnelheden bij dezelfde druk, of als gevolg van het vastlopen van de ventilator (zie 'Stilstand van de luchtstroomkast'). Fabrikanten zouden in hun documentatie ook de gewenste 'veilige' werkbereiken moeten vermelden.
Centrifugaalventilatoren
Bij centrifugaalventilatoren stroomt de lucht langs de as de waaier binnen en wordt vervolgens radiaal uit de waaier geblazen met de centrifugale beweging. Deze ventilatoren kunnen zowel hoge drukken als hoge volumestromen genereren. De meeste traditionele centrifugaalventilatoren zijn in een behuizing met scrollmechanisme (zoals in afbeelding 2) geplaatst, die de bewegende lucht stuurt en de kinetische energie efficiënt omzet in statische druk. Om meer lucht te verplaatsen, kan de ventilator worden ontworpen met een waaier met dubbele breedte en dubbele inlaat, waardoor lucht aan beide zijden van de behuizing kan binnendringen.
Figuur 2: Centrifugaalventilator in een spiraalbehuizing, met een naar achteren hellend waaierblad
Er zijn verschillende schoepenvormen waaruit de waaier kan bestaan, waarvan de belangrijkste voorwaarts en achterwaarts gebogen zijn. De vorm van de schoepen bepaalt de prestaties, het potentiële rendement en de vorm van de karakteristieke ventilatorcurve. Andere factoren die de efficiëntie van de ventilator beïnvloeden, zijn de breedte van het waaierwiel, de speling tussen de inlaatconus en de draaiende waaier, en het gebied dat wordt gebruikt om de lucht uit de ventilator te blazen (de zogenaamde 'blast area').
Dit type ventilator werd traditioneel aangedreven door een motor met een riem-poeliesysteem. Door de verbetering van elektronische snelheidsregeling en de toegenomen beschikbaarheid van elektronisch gecommuteerde ('EC' of borstelloze) motoren, worden directe aandrijvingen echter steeds vaker gebruikt. Dit neemt niet alleen de inherente inefficiëntie van een riemaandrijving weg (die kan variëren van 2% tot meer dan 10%, afhankelijk van het onderhoud2), maar vermindert waarschijnlijk ook trillingen, vermindert het onderhoud (minder lagers en minder reiniging) en maakt de constructie compacter.
Achterwaarts gebogen centrifugaalventilatoren
Achterovergebogen (of 'hellende') ventilatoren worden gekenmerkt door bladen die van de draairichting afkanten. Ze kunnen een rendement van bijna 90% bereiken bij gebruik van vleugelprofielbladen, zoals weergegeven in figuur 3, of met vlakke bladen met een driedimensionale vorm, en iets lager bij gebruik van vlakke gebogen bladen, en nog lager bij gebruik van eenvoudige vlakke plaatbladen die naar achteren hellen. De lucht verlaat de uiteinden van de waaier met een relatief lage snelheid, waardoor de wrijvingsverliezen in de behuizing laag zijn en het luchtgeluid ook laag is. Ze kunnen aan de uiteinden van de bedrijfscurve afslaan. Relatief bredere waaiers bieden de hoogste efficiëntie en kunnen gemakkelijk de substantiëlere vleugelprofielbladen gebruiken. Slanke waaiers hebben weinig baat bij het gebruik van vleugelprofielen en gebruiken daarom meestal vlakke plaatbladen. Achterovergebogen ventilatoren staan met name bekend om hun vermogen om hoge druk te produceren in combinatie met een laag geluidsniveau, en hebben een niet-overbelastende vermogenskarakteristiek – dit betekent dat naarmate de weerstand in een systeem afneemt en het debiet toeneemt, het door de elektromotor opgenomen vermogen afneemt. De constructie van achterwaarts gebogen ventilatoren is waarschijnlijk robuuster en zwaarder dan de minder efficiënte voorwaarts gebogen ventilator. De relatief lage luchtsnelheid langs de bladen kan leiden tot ophoping van verontreinigingen (zoals stof en vet).
Figuur 3: Illustratie van de waaiers van centrifugaalventilatoren
Voorovergebogen centrifugaalventilatoren
Voorovergebogen ventilatoren kenmerken zich door een groot aantal voorovergebogen bladen. Omdat ze doorgaans een lagere druk produceren, zijn ze kleiner, lichter en goedkoper dan de gelijkwaardige aangedreven achterovergebogen ventilator. Zoals weergegeven in figuur 3 en figuur 4, bevat dit type ventilatorwaaier meer dan 20 bladen die zo eenvoudig uit één metalen plaat kunnen worden gevormd. Verbeterde efficiëntie wordt bereikt bij grotere afmetingen met individueel gevormde bladen. De lucht verlaat de uiteinden van de bladen met een hoge tangentiële snelheid, en deze kinetische energie moet worden omgezet in statische druk in de behuizing – dit gaat ten koste van de efficiëntie. Ze worden meestal gebruikt voor lage tot gemiddelde luchtvolumes bij lage druk (normaal <1,5 kPa) en hebben een relatief laag rendement van minder dan 70%. De scrollbehuizing is met name belangrijk om het beste rendement te bereiken, aangezien de lucht de uiteinden van de bladen met hoge snelheid verlaat en wordt gebruikt om de kinetische energie effectief om te zetten in statische druk. Ze draaien op lage rotatiesnelheden en daarom zijn de mechanische geluidsniveaus doorgaans lager dan bij ventilatoren met hogere snelheden voor achterovergebogen ventilatoren. De ventilator heeft een overbelastend vermogen wanneer deze bij lage systeemweerstanden werkt.
Figuur 4: Voorovergebogen centrifugaalventilator met geïntegreerde motor
Deze ventilatoren zijn niet geschikt op plaatsen waar bijvoorbeeld de lucht sterk verontreinigd is met stof of waar vetdruppels in de lucht zitten.
Figuur 5: Voorbeeld van een direct aangedreven plugventilator met naar achteren gebogen bladen
Radiaalbladige centrifugaalventilatoren
De centrifugaalventilator met radiale bladen heeft als voordeel dat hij verontreinigde luchtdeeltjes kan verplaatsen met een hoge druk (ongeveer 10 kPa), maar bij hoge snelheden is hij erg luidruchtig en inefficiënt (<60%) en mag daarom niet worden gebruikt voor algemene HVAC-toepassingen. Hij heeft ook last van een overbelastingskarakteristiek: naarmate de systeemweerstand afneemt (mogelijk door het openen van de volumeregelkleppen), zal het motorvermogen toenemen en, afhankelijk van de motorgrootte, mogelijk 'overbelast' raken.
Stekkerventilatoren
In plaats van in een scrollbehuizing te worden gemonteerd, kunnen deze speciaal ontworpen centrifugaalwaaiers direct in de behuizing van de luchtbehandelingskast (of in een kanaal of plenum) worden gebruikt. De initiële kosten zijn waarschijnlijk lager dan die van centrifugaalventilatoren met een behuizing. Deze ventilatoren, ook wel 'plenum', 'plug' of simpelweg 'zonder behuizing' genoemd, bieden ruimtevoordelen, maar gaan ten koste van een lagere bedrijfsefficiëntie (waarbij de beste efficiëntie vergelijkbaar is met die van centrifugaalventilatoren met een voorovergebogen behuizing). De ventilatoren zuigen lucht aan via de inlaatconus (net als een ventilator met een behuizing), maar blazen de lucht vervolgens radiaal uit over de gehele buitenomtrek van 360° van de waaier. Ze bieden een grote flexibiliteit in uitlaataansluitingen (vanuit het plenum), wat betekent dat er minder behoefte is aan aangrenzende bochten of scherpe overgangen in het kanaalwerk die op zichzelf zouden bijdragen aan de drukval in het systeem (en dus aan extra ventilatorvermogen). De algehele efficiëntie van het systeem kan worden verbeterd door het gebruik van klokvormige ingangen in de kanalen die het plenum verlaten. Een van de voordelen van de plugventilator is de verbeterde akoestische prestatie, grotendeels te danken aan de geluidsabsorptie in het plenum en het ontbreken van 'direct zicht' van de waaier naar de monding van het kanaal. De efficiëntie is sterk afhankelijk van de locatie van de ventilator in het plenum en de relatie tussen de ventilator en de uitlaat – het plenum wordt gebruikt om de kinetische energie in de lucht om te zetten en zo de statische druk te verhogen. Aanzienlijk verschillende prestaties en verschillende bedrijfsstabiliteiten zijn afhankelijk van het type waaier – gemengde stromingswaaiers (die een combinatie van radiale en axiale stroming bieden) zijn gebruikt om stromingsproblemen te overwinnen die voortvloeien uit het sterke radiale luchtstroompatroon dat wordt gecreëerd met behulp van eenvoudige centrifugaalwaaiers3.
Bij kleinere units wordt het compacte ontwerp vaak gecompleteerd door het gebruik van eenvoudig regelbare EC-motoren.
Axiale ventilatoren
Bij axiaalventilatoren stroomt de lucht door de ventilator in lijn met de rotatieas (zoals weergegeven in de eenvoudige buisvormige axiaalventilator in figuur 6). De druk wordt hierbij gecreëerd door aerodynamische lift (vergelijkbaar met een vliegtuigvleugel). Deze ventilatoren kunnen relatief compact, goedkoop en licht zijn, en zijn daarom bijzonder geschikt voor het verplaatsen van lucht tegen relatief lage drukken. Ze worden daarom vaak gebruikt in afzuigsystemen waar de drukval lager is dan in toevoersystemen. In de toevoer is normaal gesproken de drukval van alle airconditioningcomponenten in de luchtbehandelingskast inbegrepen. Wanneer de lucht een eenvoudige axiaalventilator verlaat, zal deze wervelen door de rotatie die de lucht krijgt wanneer deze door de waaier stroomt. De prestaties van de ventilator kunnen aanzienlijk worden verbeterd door stroomafwaarts geplaatste geleideschoepen om de werveling te compenseren, zoals bij de axiaalventilator met schoepen in figuur 7. De efficiëntie van een axiaalventilator wordt beïnvloed door de vorm van het blad, de afstand tussen de punt van het blad en de omringende behuizing, en het herstel van de werveling. De helling van het blad kan worden aangepast om de output van de ventilator efficiënt te variëren. Door de draairichting van axiaalventilatoren om te keren, kan ook de luchtstroom worden omgekeerd – al is de ventilator dan zo ontworpen dat hij in de hoofdrichting werkt.
Figuur 6: Een axiale buisventilator
De karakteristiek van axiaalventilatoren heeft een blokkeringsgebied, waardoor ze ongeschikt kunnen zijn voor systemen met sterk variërende bedrijfsomstandigheden. Ze hebben echter wel het voordeel van een niet-overbelastende vermogenskarakteristiek.
Figuur 7: Een axiale schoepenventilator
Axiale ventilatoren met schoepen kunnen net zo efficiënt zijn als centrifugaalventilatoren met achterwaarts gebogen schoepen en kunnen een hoge luchtstroom produceren bij een redelijke druk (doorgaans rond de 2 kPa). Ze maken echter waarschijnlijk wel meer lawaai.
De gemengde stroomventilator is een doorontwikkeling van de axiaalventilator en heeft, zoals weergegeven in figuur 8, een conisch gevormde waaier waarbij de lucht radiaal door de uitzettende kanalen wordt aangezogen en vervolgens axiaal door de richtschoepen stroomt. Deze gecombineerde werking kan een veel hogere druk genereren dan mogelijk is met andere axiaalventilatoren. Het rendement en de geluidsniveaus kunnen vergelijkbaar zijn met die van een centrifugaalventilator met achterwaarts gebogen curve.
Figuur 8: Inline-ventilator met gemengde stroming
De installatie van de ventilator
De inspanningen om een effectieve ventilatoroplossing te bieden, kunnen ernstig worden ondermijnd door de relatie tussen de ventilator en de lokale luchtkanalen.
Plaatsingstijd: 07-01-2022