Les ventilateurs hélicoïdaux

Aussi nommés ventilateurs axiaux, ils véhiculent le gaz dans une direction parallèle à l'axe de rotation de l'impulseur. Ils sont appréciés dans les applications nécessitant de transférer de grands volumes d'air pour vaincre une faible résistance (typiquement de 20 à 30 mmCE).
Dans les industries de procédé, on les trouve principalement dans les aéroréfrigérants, et les tours de réfrigération d'eau.

Caractéristiques principales

Les ventilateurs hélicoïdaux sont principalement caractérisés par:

Diamètre

Le débit d'air peut être ajusté, dans certaines limites, par l'orientation de pales entre 2 et 10° d'angle, et la vitesse de rotation. Au delà, on doit agir sur le diamètre du ventilateur pour augmenter le débit.

Vitesse périphérique

La rotation entrainant, par la force centrifuge, des efforts sur les pales, elle doit être limitée. La force centrifuge dépend aussi du diamètre. A la vitesse de rotation on préfère la vitesse périphérique. Celle-ci sera généralement limitée à 70 m/s.

Nombre de pales

Quand le diamètre augmente, la puissance transmise augmente également. Il est alors nécessaire d'augmenter le nombre de pales pour transférer la puissance requise.

Voici des valeurs typiques de caractéristiques de ventilateurs pour aéroréfrigérants ou tours de réfrigération d'eau:

Source: Hudson Corp.

Diamètre	Nombre de pales	Puissance
6 - 10 ft 1,8 - 3 m	4	7,5 - 15 HP 5,5 - 11 kW
12 ft 3,6 m	4	20 - 30 HP 15 - 22 kW
14 ft 4,2 m	4	30 - 60 HP 22 - 44 kW
16-20 ft 4,8 - 6 m	6	50 - 100 HP 37 - 75 kW
24-30 ft 7 - 9 m	8	100 - 250 HP 75 - 190 kW
36-40 ft 11 - 12 m	8	150 - 300 HP 110 - 225 kW

Extrapolation des caractéristiques

Les fabricants de ventilateurs fornissent des courbes caractéristiques de leur matériel. Ces courbes donnent généralement en fonction du débit volumique:

• la pression de relevage (statique ou totale)
• la pression dynamique
• la puissance absorbée

éventuellement

• le rendement
• le niveau sonore

Ces informations sont données pour:

• différentes inclinaisons des pales
• une vitesse périphérique (souvent 60 m/s ou 12000ft/mn
• une masse volumique de gaz (souvent 1,2 kg/m³)

Le fonctionnement du ventilateur est décrit sur le diagramme des courbes caractéristiques, par un point situé à l'intersection de la courbe représentative du réseau, et de la courbe caractéristique de pression pour le réglage d'inclinaison des pales. Ce point défini un débit et une puissance absorbée. On peut en déduire le rendement du ventilateur.

Les conditions réelles d'utilisation étant généralement différentes des conditions de validité des courbes, la vérification des performances du ventilateur nécessiterade les extrapoler. Les corrections seront principalement dues à la masse volumique du gaz et la vitesse de rotation:

Masse volumique du gaz

La masse volumique du gaz peut être affectée par:

• sa composition (humidité de l'air par exemple)
• sa pression et sa température (altitude pour l'air ambiant)

Pour un débit volumique donné, les pression statique et dynamique augmentent avec la masse volumique du gaz: Pt₂ ⁄ Pt₁ = (ρ₂ ⁄ ρ₁)

La puissance absorbée est le produit du débit volumique par la pression de relevage: Pa_(W) = Q_{(m³ ⁄ s)}×Pt_(Pa) ⁄ η
Pour un débit volumique donné, la puissance absorbée augmente avec la densité du gaz: Pa₂ ⁄ Pa₁ = (ρ₂ ⁄ ρ₁)

Vitesse de rotation

La vitesse de rotation est exprimée en vitesse périphérique sur les courbes caractéristiques, mais est exprimée en tour/mn dans l'usage courant.

La pression totale de relevage du ventilateur augmente avec la vitesse de rotation élevée au carré: Pt₂ ⁄ Pt₁ = (N₂ ⁄ N₁)²

La puissance absorbée augmente avec la vitesse de rotation élevée au cube: Pa₂ ⁄ Pa₁ = (N₂ ⁄ N₁)³

Optimisation du fonctionnement

Inclinaison variable des pales

Les ventilateurs axiaux sont principalement utilisés dans les industries de procédé pour transférer de l'air ambiant utilisé pour refroidir un fluide. Les débits d'air sont déterminés lors du dimensionnement pour répondre au besoin du procédé dans les conditions de température et d'humidité les plus défavorables. Mais souvent, particulièrement pendant la saison hivernale, les conditions ambiantes sont plus favorables, et le ventilateur est surdimensionné. La consommation énergétique associée est excessive.
Un ajustement précis de la capacité du ventilateur est possible en ajustant l'inclinaison des pales. Ceci peut être réalisé automatiquement au moyen d'un système d'actionneur semblable à celui des vannes de réglage.

Autres méthodes d'ajustement du débit

Parmis les méthodes pour ajuster la capacité des ventilateurs et des équipement procédés associés, citons:

• les moteurs à deux vitesses
• la variation de vitesse par variateur de fréquence électrique
• la variation de vitesse par entrainement hydraulique

Jeu en bout de pales

Un espace minimum doit être prévu entre le bout de la pale et l'anneau externe, afin d'éviter tout frottement. Mais cet espace laissera passer une fraction de l'air refoulé par le ventilateur, qui se trouvant à une pression supérieure tendra à retourner vers l'aspiration à plus basse pression. Les valeurs recommandées pour le jeu en bout de pale dépendent du diamètre du ventilateur:

Diamètre du ventilateur	Jeu recommandé
3 - 9 ft	6 - 12 mm
9 - 11 ft	6 - 15 mm
11 - 16	6 - 18 mm
18 - 40	12 - 25 mm

Récupérateur de pression dynamique

En donnant au conduit de refoulement de l'air, une forme évasée, on provoque un phénomène de "venturi" utilisant la pression dynamique de l'air refoulé par le ventilateur. Ce phénomène contribue à soulager le ventilateur et permet une économie sur sa consommation d'énergie de 10% environ.