IT9020323A1 - Gruppo statore di ventilatore per scambiatore di calore - Google Patents
Gruppo statore di ventilatore per scambiatore di caloreInfo
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda ventilatori per il movimento d'aria e, più particolarmente, un gruppo scambiatore di calore nel quale un ventilatore aspira o preme aria attraverso un serpentino dello scambiatore di calore. L'invenzione concerne in modo specifico l'impiego di una corona statorica con un ventilatore elicoidale che muove aria attraverso un serpentino di scambiatore di calore.
In una forma realizzativa specifica descritta nel seguito, una corona statorica è vantaggiosamente applicata ad un condizionatore d'aria a terminali combinati o "packaged terminale" (PTAC) e risponderebbe anche alle esigenze di condizionatori d'aria per ambienti od altri dispositivi consimili.
Un condizionatore d'aria a terminali combinati è un'unità avente un lato interno od al chiuso collegato ad un lato esterno od all'aperto mediante attraversamento di una parete di un edificio. Queste unità vengono generalmente impiegate sia d'estate come condizionatore d'aria in funzione di raffreddamento che d'inverno come pompa dì calore in funzione di riscaldamento. Il PTAC usa generalmente lo stesso motore ed albero dì trasmissione per comandare un ventilatore centrifugo sul lato interno ed un ventilatore ad elìca sul lato esterno.
Da tempo un obiettivo del settore è quello di aumentare l'efficienza di movimento d'aria dei ventilatori. Ciò apporta il doppio beneficio di un più basso assorbimento di energia elettrica e di una riduzione del livello di rumorosità dovuto ai ventilatori.
Sebbene in generale ben noti, per esempio in vari compressori, gli statori non sono stati adottati su larga scala nel settore del riscaldamento, ventilazione e condizionamento d'aria (HVAC), e non sono mai stati applicati ad unità PTAC.
Una combinazione di ventilatore elicoidale con un gruppo statore è stata precedentemente descritta in Gray, brevetto statunitense N. 4.548.548, per l'impiego in ambiente automobilistico. In tale brevetto, il ventilatore è destinato a soffiare aria attraverso uno scambiatore di calore, ed uno statore circolare posto immediatamente dopo il ventilatore per dirigere lo scarico assialmente. L'intento è quello di eliminare componenti rotazionali e di assicurare un flusso d'aria più regolare attraverso lo scambiatore di calore. Il gruppo statore del brevetto Gray fa parte della stella o cornice che regge ventilatore e motore di fronte allo scambiatore di calore. Lo statore vi è inoltre specificamente destinato all'impiego con un ventilatore cosiddetto fasciato in cui le punte delle pale del ventilatore sono collegate da un mantello circonferenziale . Nel brevetto Gray, lo statore è di sezione circolare perchè fa parte integrante del sistema ventilatore-motore e perchè è concepito per accogliere il campo di flusso dominato dal ventilatore. Si tratta di un buon criterio quando l'area frontale efficace del ventilatore sia approssimativamente eguale all'area frontale del serpentino, oppure quando l'asse del ventilatore coincida con il centro geometrico del fronte del serpentino.
Quando però l'area frontale del serpentino sia significativamente più grande dell'area frontale: del ventilatore e/o l'asse del ventilatore sia sfalsato rispetto al centro geometrico del serpentino, la collocazione e la geometria dello statore devono tener conto della diffusione per poter assicurare il massimo beneficio. Ciò riveste importanza critica perchè è affatto difficile diffondere od espandere la corrente d'aria dalla geometria circolare e l'area di scarico del ventilatore alla più ampia e/o disassata geometria rettangolare del serpentino. La massima diffusione è necessaria per minimizzare la tendenza naturale verso un flusso d'aria disuniforme sul fronte del serpentino con concomitante aumento (rispetto al flusso uniforme) della perdita di pressione del serpentino sul lato aria e sottosfruttamento della superficie di scambio termico.
Per massimizzare la diffusione, onde ottenere un favorevole controllo degli effetti sopra citati, è vantaggioso disporre lo statore contro il serpentino e configurare la sua geometria complessiva in modo che si coniughi all'area frontale del serpentino. Questo permette alla forza centrifuga dovuta al vortice di facilitare il processo di diffusione verso l'esterno e, conseguentemente, di massimizzare l'uniformità del flusso sul fronte del serpentino. Se lo statore venisse collocato genericamente in corrispondenza dello scarico del ventilatore (brevetto Gray) la componente di velocità del vortice verrebbe eliminata prima del processo di diffusione e non sarebbe perciò disponibile per ottenere la diffusione richiesta.
Uno scopo della presente invenzione è quello di recuperare una parte significativa dell'energia rotazionale dallo scarico di un ventilatore elicoidale e di convertirla in forma utile, come un aumento di pressione, massimizzando al tempo stesso il flusso d'aria uniforme sul fronte del serpentino e minimizzando l'angolo fra il pacco di alette del serpentino ed il vettore di velocità dell'aria incidente.
Uno scopo dipendente della presente invenzione è quello di ridurre la rumorosità del ventilatore e l'assorbimento di potenza all'albero del ventilatore, per un ventilatore elicoidale che sia impiegato con un serpentino di scambiatore di calore.
Secondo un aspetto della presente invenzione, un serpentino alettato di condensatore, od altro serpentino di scambiatore di calore, è combinato con un ventilatore elicoidale a flusso assiale, un mantello, ed una corona statorica disposta sostanzialmente contro il lato ventilatore del serpentino. Il serpentino di scambiatore di calore ha fronte piatto ed una pluralità di alette che definiscono passaggi per l'aria fra i quali passa aria attraverso lo scambiatore di calore. Questi passaggi sono dunque genericamente perpendicolari a questo fronte piatto. Il ventilatore elicoidale a flusso assiale è posizionato in modo da essere rivolto verso il fronte piatto dello scambiatore di calore con il proprio asse che passa attraverso lo scambiatore di calore. Nella maggioranza dei casi, però, l'asse del ventilatore è spostato su uno o l'altro lato rispetto al centro dello scambiatore di calore. Il ventilatore ha un mozzo ed una pluralità di pale che s'irraggiano dal mozzo, ed è condotto in rotazione da un motore elettrico o simile. Le pale hanno un passo che viene scelto per imprimere all'aria un flusso genericamente assiale quando il ventilatore gira.
Tuttavia, il flusso ha anche una componente vorticosa, cioè una componente nella direzione tangenziale o circonferenziale. Un mantello è disposto sopra il ventilatore e lo scambiatore di calore per guidare L'aria entro il ventilatore. Il mantello assicura inoltre che l'aria sia premuta attraverso lo scambiatore di calore e non ricircoli semplicemente verso il lato d'aspirazione del ventilatore. La corona statorica è montata sul fronte piatto dello scambiatore di calore ed è sostanzialmente coestensiva ad esso. La corona statorica ha una cornice esterna che si coniuga sostanzialmente al perimetro del fronte piatto, ed un anello che è sostanzialmente coassiale al ventilatore. Una pluralità di pale o palette radiali dello statore si estendono dall'anello alla cornice e queste palette hanno passo complementare a quello delle pale del ventilatore. Le palette dello statore deviano la corrente d'aria finché il vettore di velocità dell'aria sia genericamente assiale. Questo trasforma l'energia cinetica del vortice in una forma di energia più utile, mediante innalzamento della pressione statica. Ciò vale anche a minimizzare l'angolo fra le alette del serpentino e la corrente d'aria incidente, riducendo quindi la perdita di pressione sul lato aria del serpentino .
Il posizionamento dello statore contro il serpentino, invece della collocazione nelle immediate vicinanze dello scarico del ventilatore, sfrutta ilT vortice per coadiuvare la diffusione prima di trasformare il vortice in pressione statica. Il vortice centrifuga la corrente d'aria, promovendo un flusso uniforme sul fronte del serpentino. E' soltanto dopo che sia stata massimizzata questa diffusione che lo statore viene immesso ad eliminare vorticosità ed a trasformarla in pressione statica. Dato che si ha un massimo di diffusione, il campo di flusso è dominato dalla presenza e dalle dimensioni caratteristiche del serpentino. Lo statore ottimale è quindi configurato per assumere la forma genericamente rettangolare del serpentino.
si comprenderà come un ventilatore elicoidale nel circuito del flusso d'aria faccia aumentare la pressione statica e l'energia cinetica del fluido, il flusso d'aria che lascia le pale del ventilatore ha un vettore di velocità vA3r avente sia una componente assiale che una componente tangenziale vM . Se non si fà qualcosa per recuperare l'energia nella componente tangenziale, questa energia viene alla fine dissipata come calore. In altre parole, il vortice o componente tangenziale rappresenta lavoro fatto sul fluido e poi perduto, se la componente tangenziale può essere recuperata efficientemente, allora la perdita ad essa imputabile viene minimizzata. Il cambiamento di questa componente viene recuperato come aumento di pressione statica. Una corona statorica, che è una disposizione in piatto di pale o palette di statore immobili, riduce efficacemente questa componente V<3⁄4) . In altri termini, il flusso d'aria che entra nella corona statorica ha velocità di flusso νΛΓ, mentre l'aria che lascia la corona statorica ha una velocità Vs che include una componente tangenziale significativamente più piccola. La differenza fra queste componenti e V dedotte alcune perdite dovute alla presenza delle palette dello statore, rappresenta una conversione in pressione statica in corrispondenza del fronte dello scambiatore di calore. Questa conversione rappresenta, a sua volta, un aumento di pressione statica. Dato che la corona statorica sta adesso recuperando quanto andrebbe altrimenti perduto mediante conversione di energia cinetica in pressione statica, basta meno lavoro del fluido per generare la stessa pressione statica che in precedenza. A coadiuvare questo processo sta una riduzione delle esigenze di pressione statica dell'impianto. Questa riduzione deriva da una riduzione della perdita sul serpentino come conseguenza del ridotto angolo fra il canale delle alette e la corrente d'aria incidente, nonché del più uniforme flusso d'aria sul serpentino. Conseguentemente, a parità<' >di impianto, diviene possibile utilizzare un ventilatore a più basso innalzamento della pressione statica in unione alla corona statorica, invece di un ventilatore ad alto innalzamento della pressione privo di statore. Ciò determina un funzionamento molto più silenzioso ed una significativamente più bassa esigenza di potenza per erogare una portata d'aria data.
Nel corso di prove condotte in relazione alla forma realizzativa descritta nel seguito, si sono realizzate una riduzione del 40% nella potenza all'albero e di 3,6 dBA nella rumorosità grazie alla corona statorica a valle del ventilatore elicoidale sul lato condensatore od all'aperto di un PTAC. Questo è stato ottenuto senza riduzione della portata d'aria effettiva.
Questi ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una forma realizzativa preferita di essa invenzione, da leggersi con riferimento agli annessi disegni.
Nei disegni:
- la figura 1 è una vista schematica, in sezione ed in pianta, di un'unità condizionatrice d'aria a terminali combinati (PTAC) che incorpora il gruppo scambiatore di calore, ventilatore e statore secondo una forma realizzativa della presente invenzione;
la figura 1A è una vista supplementare di una porzione dell'unità di figura 1, per spiegare l'effetto dell'angolo d'incidenza del flusso d'aria sulle alette dello scambiatore di calore;
- la figura 2 è una vista in prospettiva esplosa della porzione condensatore od all'aperto del PTAC;
- la figura 3 è una vista in alzato frontale di un gruppo statore secondo questa forma realizzativa dell'invenzione ;
la figura 4 mostra una tipica paletta o pala statorica del gruppo statore di figura 3;
la figura 5 è una sezione trasversale della paletta statorica di figura 4, presa sulla traccia 5-5 di essa;
la figura 6 è un diagramma che riporta l'innalzamento di pressione del gas ideale da un ventilatore privo di attriti attribuibile a componente di velocità del vortice in una corrente d'aria di scarico;
- la figura 7 è una vista schematica presa nella direzione radiale del gruppo ventilatore e statore, illustrante l'effetto del gruppo statore sull'incidenza dell'aria sulle alette dello scambiatore di calore;
- la figura 8 è un diagramma che mette a confronto l'innalzamento di pressione del gas ideale di un ventilatore elicoidale privo di attriti e quello di un ventilatore elicoidale con gruppo statore;
le figure 9 e 10 mostrano le disposizioni dello statore e del ventilatore rispettivamente per il recupero totale ' ed il recupero parziale della componente vorticosa .
Con riferimento ai disegni, ed inizialmente alla figura 1 di essi, un'unità 10 condizionatrice d'aria a terminali combinati o "packaged terminale" (PTAC) ha una porzione 12 al chiuso che include un serpentino evaporatore 14 ed un ventilatore centrifugo 16 montato su un albero 18 di trasmissione del moto. Una porzione 20 all'aperto include un serpentino condensatore 22 ed un ventilatore elicoidale 24 condotto dall'albero 18. Il ventilatore 24 ha un mozzo 26 montato sull'albero 18 ed una molteplicità di pale 28 che s'irraggiano dal mozzo 26.
Un mantello 30 si estende sopra il serpentino 22 da una apertura circolare 32 in corrispondenza della punte delle pale 28 del ventilatore. Il mantello 30 guida l'aria entro il ventilatore 24 e di qui attraverso il serpentino 22 dello scambiatore di calore. Il mantello serve anche ad impedire ricircolo d'aria ad anello chiuso attraverso il ventilatore.
Come mostrato in figura 1A, il flusso d'aria dal ventilatore 24 non è assiale, ma ha il proprio vettore 36 di velocità angolato in modo da investire le alette 34 dello scambiatore di calore con un angolo d'incidenza significativo. Conseguentemente, alla superficie dello scambiatore ài calore, il flusso d'aria deve deviare dalla direzione assiale per attraversare i passaggi fra le alette 34 . Questa grossa deviazione fa aumentare le perdite di pressione attraverso lo scambiatore di calore.
Per compensare la vorticosità, una corona 40 di statore viene collocata contro il serpentino 22 del condensatore sul lato ventilatore di esso, come illustrato ad esempio in figura 2. come mostra inoltre la figura 3, la corona statorica 40 è oblunga e rettangolare, con una cornice 42 che si coniuga sostanzialmente alla periferia del lato del serpentino 22 del condensatore rivolto verso il ventilatore. Dato che l'asse del ventilatore è eccentrico rispetto al serpentino 22, il ventilatore 24 ha un'area della proiettata in avanti che è molto più piccola dell'area del serpentino condensatore 22. Inoltre, a cagione di questa geometria, un anello 44 di supporto delle palette si colloca di lato rispetto al centro della cornice 42, per giacere coassiale al ventilatore elicoidale 24. Un numero appropriato di palette 46 dello statore s'irraggia verso l'esterno dall'anello 44 alla cornice periferica 42. una tipica di queste palette 46 è mostrata in figura 4. Le palette 46 sono, preferibilmente ma non necessariamente, di larghezza e forma sostanzialmente uniformi da un estremo all'altro, e sono alquanto inarcate o curvate in sezione, come mostrato in figura 5. In corrispondenza dell'anello 44, le palette 46 sono, ma non necessariamente, per quanto possibile ravvicinate. La cornice 42, l'anello 44 e le palette 46 sono preferibilmente stampati di pezzo in una resina plastica sintetica. Una zona aperta 48 all'interno dell'anello 44 permette il passaggio d'aria attraverso di esso.
Il funzionamento e l'efficacia di questo gruppo possono essere dedotti dalla esposizione che segue, concernente le figure 6-10.
Per un ventilatore privo di attriti od ideale con uno sfalsamento delle pale di 150 gradi, l'entità relativa dell'innalzamento di pressione attribuibile alla componente di velocità del vortice nella corrente d'aria di scarico corrisponde a quanto generalmente illustrato in figura 6. Se la componente di velocità vorticosa può essere evitata o corretta, è possibile recuperare una quantità massima corrispondente alla percentuale indicata in ordinata, per esempio sotto forma di una più alta pressione statica.
L'effetto correttivo della corona statorica 40 può essere dedotto dalla figura 7. Per semplicità, si supporranno qui un ventilatore senza attriti ideale ed uno statore ideale. La pala 28 del ventilatore, vista nella direzione radiale del ventilatore, si muove verso la sinistra della pagina ed ha un vettore U*.di velocità della punta della pala di ventilatore come illustrato. Il vettore vps.di velocità dello scarico d'aria premuta, cioè il vettore rispetto alla pale del ventilatore, giace nella direzione del bordo d'uscita della pala del ventilatore, come mostrato, mentre il vettore VAIP di velocità assoluta dello scarico del ventilatore, cioè il vettore rispetto alla corona statorica 46, risulta dalla combinazione algebrica dei vettori VRE. e Ur. Questo vettore VAB. di velocità ha una componente tangenziale significativa di velocità di scarico ν∞ . Se non corretto, come illustrato nella parte destra della figura 7, il vettore 36 di velocità del flusso investe le alette 34 del serpentino del condensatore ad un angolo grande, e ciò porta ad una perdita di pressione significativa. Inoltre, v60 rappresenta energia cinetica aggiunta alla corrente d'aria, che viene infine dissipata sotto forma di calore. Essa rappresenta quindi una perdita.
Quando sia presente la corona statorica 40, come illustrato graficamente sul lato sinistro della figura 7, le palette 46 dello statore cambiano la direzione del vettore di velocità del flusso d'aria. Dato che il passo delle palette 46 è complementare al passo delle pale 28 del ventilatore, si ha un vettore Vs di velocità di scarico assoluta risultante dello statore, come mostrato.
Questo vettore di velocità ha una componente tangenziale o vorticosa V α relativamente piccola. La differenza tra i vettori di flusso e V ^ rappresenta un guadagno di pressione statica all'altezza del fronte del serpentino condensatore 22. Inoltre, dato che il vettore Vs di flusso viene deviato verso la direzione assiale, l'aria che investe il serpentino 22 s'immette in modo più diretto nella direzione assiale, cioè parallela alle alette 34, riducendo perciò in misura significativa le perdite per turbolenza sul fronte del serpentino 22. si riducono così anche i requisiti di pressione statica dell'impianto .
Come illustrato in figura 8, la corona statorica 40 è in grado di produrre un significativo innalzamento di pressione statica allorché usata con il ventilatore elicoidale (curva a linea tratteggiata), rispetto alla pressione attribuibile al solo ventilatore elicoidale (curva a linea continua).
L'esposizione di cui sopra è partita dal presupposto di un ventilatore ideale, privo di attriti, e di uno statore ideale, privo di attriti. Al recupero del vortice si associeranno però perdite dovute ad effetti viscosi. Come illustrato in figura 9, se una pala o paletta 46' del rotore viene scelta per effettuare una deviazione completa del vettore di flusso (come indicato dalle frecce d'afflusso e d'efflusso), si verificheranno perdite di energia a causa di zone turbolente 38 sulle superilei delle pale o palette 46' dello statore, in generale, queste perdite aumentano in relazione al grado di raddrizzamento del flusso d'aria. Conseguentemente, il massimo beneficio può aversi dalla corona statorica 40 quando l'angolo d'efflusso o di scarico dello statore non sia esattamente assiale, come mostrato nella rappresentazione del modo a recupero parziale in figura 10.
In una forma realizzativa pratica, come rappresentata graficamente in figura 10, la geometria della paletta 46 dello statore viene scelta, rispetto a quella della pala del ventilatore, per ottenere il massimo recupero netto della componente vorticosa, in altre parole, in una forma di realizzazione pratica, le perdite di energia apportabili sia dalla componente vorticosa Vei che dalla turbolenza causata dalla presenza della paletta statorica 46 vengono, nel totale, minimizzate.
Quando la corona statorica 40 con le caratteristiche sopra descritte veniva incorporata al lato all'aperto di una unità condizionatrice d'aria a terminali combinati, si rilevavano una riduzione del 40% nella potenza all'albero richiesta ed una riduzione di 3,6 dBA nella rumorosità, entrambe attribuibili direttamente alla corona statorica 40.
Anche se la presente invenzione è stata descritta qui sopra con riferimento ad un'unica forma realizzativa preferita, s'intende che numerose modificazioni e va.rianti possibili potrebbero essere introdotte dagli esperti del ramo senza scostarsi dall'ambito e dallo spirito della presente invenzione come definiti nelle annesse rivendicazioni .
Claims (3)
- RIVENDICAZIONI 1. Gruppo ventilatore e scambiatore di calore, caratterizzato da: un serpentino (22) di scambiatore di calore avente fronte piatto ed una pluralità di alette che definiscono fra di esse passaggi per l'aria che attraversano lo scambiatore di calore genericamente perpendicolari a detto fronte piatto; un ventilatore elicoidale (24) a flusso assiale posizionato rivolto verso detto fronte piatto dello scambiatore di calore con un asse che passa attraverso lo scambiatore di calore, includente un mozzo (26), una pluralità di pale (28) che s'irraggiano dal mozzo, e mezzi (18) di comando del moto per la rotazione del mozzo e delle pale, dette pale avendo passo scelto per imprimere all'aria un flusso genericamente assiale quando il ventilatore gira, il flusso avendo anche una componente vorticosa (V^ ) nella direzione circonferenziale; mezzi (30) a mantello sopra detti ventilatore e scambiatore di calore per guidare aria entro detto ventilatore e premerla attraverso il serpentino (22) dello scambiatore di calore; e uno statore (40) montato su detto fronte piatto di detto scambiatore di calore e sostanzialmente coestensivo ad esso, includente una pluralità di palette radiali (46) che hanno passo complementare a quello delle pale del ventilatore per deviare la componente vorticosa (V0O ) del flusso d'aria in corrispondenza di detto fronte dello scambiatore di calore genericamente verso la direzione assiale, cosicché l'aria s'immette nei passaggi (va) dello scambiatore di calore più direttamente.
- 2. Gruppo secondo la rivendicazione 1, in cui detto statore (40) include una cornice esterna (42) rettangolare oblunga coestensiva al perimetro di detto fronte piatto ed un anello (44) sostanzialmente coassiale a detto ventilatore, dette palette statoriche (46) estendendosi radialmente da detto anello (44) a detta cornice esterna (42) .
- 3. Gruppo secondo la rivendicazione 2, in cui detto asse del ventilatore è posizionato sensibilmente di lato al centro di detto fronte piatto dello scambiatore di calore e detto statore è analogamente realizzato con un anello (44) corrispondentemente spostato dallo stesso lato .
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