IT9020270A1 - Gruppo a soffiante centrifuga con guida d'aria a coclea suddivisa in tratti di pareti curve per ventilatori, condizionatori e simili - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda ventilatori per il movimento d'aria ed è diretta più particolarmente a ventilatori o soffianti centrifughe associate ad apparecchi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento d'aria {HVAC} . L'invenzione concerne in modo specifico una coclea o guida d'aria perfezionata per dirigere l'aria da un ventilatore o soffiante. in una forma realizzativa specifica descritta più avanti, una coclea divisa carenata è vantaggiosamente applicata ad un condizionatore d'aria a terminali combinati o "packaged terminale" (PTAC), ma risponderebbe anche alle esigenze di un condizionatore d'aria per ambienti od altri dispositivi.

Un condizionatore d'aria a terminali combinati (PTAC) è un'unità avente un lato al chiuso od interno collegato ad un lato all'aperto od esterno mediante attraversamento di una parete di un edificio. Queste unità possono essere utilizzate sia d'estate come condizionatore d'aria in funzione di raffreddamento, che d'inverno in funzione di riscaldamento. In generale, il PTAC può spesso impiegare lo stesso motore ed albero di trasmissione per l'azionamento del lato all'aperto e di un ventilatore centrifugo sul lato al chiuso.

Un obiettivo del settore è da tempo quello di aumentare l'efficienza di movimento d'aria di questi ventilatori, sia per ridurre l'assorbimento di energia elettrica che per ridurre il livello del rumore generato dal ventilatore.

La soffiante centrifuga sul lato al chiuso del PTAC od altra unità consimile ha normalmente una cosiddetta coclea o guida del flusso per condurre l'aria di scarico della soffiante ad un polmone per l'aria sito in alto sul davanti dell'unità. I ventilatori centrifughi richiedono generalmente una coclea per diffondere e raccogliere efficientemente il flusso d'aria. Nella maggioranza degli impianti HVAC, il flusso d'aria viene scaricato in un sistema posto a valle che può essere un condotto, una batteria di celle scambiatrici di calore di un forno, un polmone, od una varietà di sbarramenti e curve. Il controllo dell'aria che fuoriesce dal ventilatore a velocità relativamente alta diviene critico se si vogliono minimizzare le perdite di pressione (e quindi la rumorosità).

Nelle unità PTAC, aria a velocità relativamente alta lascia il ventilatore centrifugo, viene rimandata verso l'alto dalla coclea, scaricata in una cavità del ripiano superiore o polmone, e poi fatta percorrere una curva a 90 gradi per uscire dalla parte frontale dell'unità. Un modo di ridurre la rumorosità di un'unità PTAC sarebbe quello di racchiudere la fonte di rumore. Il ventilatore centrifugo nell'unità PTAC è la fonte di rumore dominante al chiuso, ma una copertura totale non è fattibile data la necessità di una presa d'aria e di condotti d'uscita dell'aria. Un compromesso logico sarebbe però quello di racchiudere parzialmente il ventilatore o soffiante in modo da eliminare ogni irraggiamento diretto di rumore.

Un altro approccio alla riduzione della rumorosità comporta minimizzazione dei requisiti di pressione dell'aria imposti al ventilatore, cioè un aumento dell'efficienza di movimento dell'aria. Ciò permetterebbe ad un ventilatore a più basso innalzamento della pressione, e quindi un ventilatore più silenzioso, di rimpiazzare il ventilatore esistente senza perdita di capacità di movimentazione dell'aria.

Tuttavia, prima della presente invenzione, non è stato proposto alcun adattamento idoneo al caso delle soffianti centrifughe.

Uno scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un gruppo soffiante centrifuga e coclea che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Uno scopo più particolare della presente invenzione è quello di fornire una coclea per ventilatore o soffiante centrifuga atta ad aumentarne l'efficienza e ad abbassare il livello di rumorosità che ad essa si associa.

Secondo un aspetto della presente invenzione, un gruppo soffiante centrifuga comprende un rotore di ventilatore centrifugo ed una guida d'aria a coclea per dirigere aria fuoruscente dal rotore verso il polmone che si trova in corrispondenza di un piano d'uscita su un lato del rotore. In un qualsiasi ventilatore centrifugo, l'aria normalmente fuoriesce dal rotore del ventilatore su una tangente del flusso d'aria che giace ad un angolo prefissato rispetto alla circonferenza del rotore, dipendente dalla geometria delle pale o palette del rotore del ventilatore. La guida d'aria a coclea della presente invenzione ha una prima parete curva il cui raggio dall'asse del rotore del ventilatore aumenta nella direzione del rotore del ventilatore da un punto di separazione prefissato, più prossimo alla circonferenza del rotore. Questo raggio aumenta mano a mano che la parete si sviluppa nel senso di rotazione del ventilatore verso il piano d'uscita. Si ha un secondo tratto curvo che si estende dal punto di separazione verso il piano d'uscita in senso contrario a quello di rotazione. Il primo e secondo tratto sono sostanzialmente l'immagine speculare uno dell'altro a cavallo del piano che corrisponde alla tangente del flusso d'aria che passa per il punto di separazione. Preferibilmente, il primo e secondo tratto sono spirali logaritmiche.

In una forma realizzativa principale si ha una carenatura curva sopra la circonferenza del rotore del ventilatore in corrispondenza del piano d'uscita. La carenatura può avere superfici, superiore ed inferiore, che si estendono secondo spirali logaritmiche dal bordo d'entrata, o punto di separazione della carenatura, almeno per una distanza iniziale.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, la guida d'aria a coclea può avere una prima parete curva che si sviluppa da un punto di separazione attorno al rotore verso il piano d'uscita, ed un deflettore curvo distanziato dal rotore e dalla prima parete. Il deflettore ha pareti, interna ed esterna, curve che si estendono da un punto di separazione del deflettore ed hanno raggi, dall'asse del ventilatore, che aumentano nel senso di rotazione del ventilatore. La prima parete curva ed il deflettore definiscono condotti, primario e secondario, dell'aria. Le pareti curve ed i deflettori possono svilupparsi logaritmicamente.

Queste forme realizzative valgono ad aumentare l'efficienza del rotore del ventilatore, permettendo così d'impiegare un ventilatore a più basso innalzamento della pressione, più silenzioso, senza perdita della capacità di movimentazione dell'aria. Questi e numerosi altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione potranno essere meglio apprezzati nel corso della descrizione che segue di una forma realizzativa preferita, da prendersi in esame in relazione agli anessi disegni.

La fig. 1 è un alzato schematico, parziale, di parti pertinenti di un normale PTAC, riproducente un ventilatore o soffiante centrifuga ed una coclea convenzionale .

La fig. 2 è una vista schematica in alzato di una porzione di un'unità PTAC, riproducente un gruppo ventilatore e coclea divisa secondo una forma realizzativa preferita della presente invenzione, con una carenatura sopra il ventilatore.

La figura 3 è una sezione schematica del gruppo ventilatore e coclea divisa secondo una forma di realizzazione alternativa.

Le figg. 5 e 6 sono viste schematiche illustranti esempi di applicazioni alternative del gruppo coclea divisa carenata e ventilatore secondo la presente invenzione.

Con riferimento ai disegni, la fig. 1 mostra schematicamente la porzione frontale od al chiuso di un'unità condizionatrice d'aria a terminali combinati o "packaged terminals" (PTAC), con omessa la maggior parte degli elementi che non sono interessati direttamente dalla presente invenzione. L'unità PTAC ha un mobiletto 10 entro il quale si trova un rotore 11 di ventilatore centrifugo che ruota attorno ad un asse 12 nel piano orizzontale. Aria a velocità relativamente elevata viene convogliata dall'interno del mobiletto verso l'alto ad una cavità 13 del ripiano superiore, che funge da polmone, dove l'aria incide sulla superficie interna del ripiano superiore 19 ed esegue una brusca svolta ad angolo retto per essere espulsa in avanti fuori del mobiletto attraverso una griglia (non mostrata) entro il locale.

Il rotore 11 di ventilatore ha sulla sua circonferenza pale o palette 14 che, in questa forma realizzativa, sono orientate in avanti. Ciò produce a parità di dimensione del ventilatore una velocità di scarico superiore a quella che si ottiene con ventilatori aventi pale o palette inclinate all'indietro. In questa forma realizzativa, il senso di rotazione del rotore 11 di ventilatore è antiorario, secondo il punto d'osservazione di chi si pone di fronte al mobiletto 10.

Una coclea o paletta 15 di guida all'interno del mobiletto 10 raccoglie e diffonde l'aria ad alta velocità che fuoriesce dal rotore 11 di ventilatore e la dirige verso l'alto attraverso una luce allungata 16 di scarico, entro il polmone o cavità 13 del ripiano. Come normale, questa coclea 15 ha un punto di separazione o punto di stacco 17 all'estremità della luce 16 di scarico a sinistra (lato girante verso il basso) del rotore 11 di ventilatore, ed una parete 18 curva il cui diametro aumenta mano a mano che essa si sviluppa dal punto di stacco 17 attorno al rotore 11 di ventilatore nel senso antiorario verso l'altra estremità della luce 16 di scarico. In questo caso, la parete 18 curva a spirale è progettata in modo da avere un raggio R, misurato dall'asse 12, che rispetta sostanzialmente la seguente relazione :

R/Ri = f(6), in cui f(0) aumenta monotonamente, Ri è il raggio al punto 17 di separazione, e Θ è la posizione angolare sulla parete 18 misurata in senso antiorario a partire dal punto 17 di separazione.

Questa coclea standard è però in grado di scaricare soltanto su un lato del ventilatore, e lascia scoperta la sommità del rotore 11 del ventilatore, permettendo al rumore generato sul ventilatore di essere propagato direttamente entro lo spazio di lavoro o spazio di soggiorno ambiente.

Un gruppo ventilatore e coclea secondo una forma realizzativa preferita della presente invenzione è illustrato nelle figg. 2 e 3. In questo caso, un mobiletto 20, simile al mobiletto 10 della fig. 1, ha un ventilatore centrifugo 21 che ruota attorno ad un asse orizzontale 22, in modo genericamente simile a quello del ventilatore 11 di fig. 1, per scaricare aria entro una cavità 23 del ripiano che funge da polmone dell'aria. Questo ventilatore 21 è anch'esso dotato di palette 24 che sono orientate in avanti.

In questo caso, una coclea divisa 25 dirige l'aria che fuoriesce dalle pale 24 del ventilatore verso l'alto entro una luce allungata 26 di scarico che si estende su entrambi i lati del rotore 21 di ventilatore. La coclea 25 ha un punto 27 di separazione che è ribaltato dal piano di scarico parzialmente attorno al rotore 21 di ventilatore. Una prima parete curva o parete curva principale crescente monotonamente 28 si estende dal punto 27 di separazione nel senso antiorario o senso di rotazione, aumentando di diametro mano a mano che si sviluppa sino alla luce 26 di scarico. Una seconda parete curva crescente monotonamente 29 si estende dal punto di separazione nell'altro senso, cioè il senso contrario a quello di rotazione del ventilatore, fino all'estremità opposta della luce 26 di scarico. Quando le pareti curve si sviluppano logaritmicamente, f(Θ> = Cln (R/Ri), e questa forma è considerata l'ideale per raccogliere aria dall'intera circonferenza del rotore o soffiante e dirigerla verso l'alto. La forma logaritmica od a chiocciola riduce la velocità del flusso d'aria in corrispondenza del piano di scarico entro la cavità del ripiano. Come mostrato nella fig. 3, una tangente 30 del flusso d'aria, che rappresenta la direzione di scorrimento dell'aria quando fuoriesce dal rotore di ventilatore rispetto alla circonferenza, passa per il punto 27 di separazione. . Le pareti curve 28 e 29 crescenti monotonamente sono scelte specificamente in modo da essere immagini speculari una dell'altra a cavallo del piano che corrisponde alla tangente 30 del flusso d'aria che passa per il punto 27 di separazione. Ciò divide l'aria omogeneamente in corrispondenza del punto 27 di separazione massimizzando l'efficienza del gruppo ventilatore e coclea, nonché minimizzando il rumore. Questa tangente 30 del flusso d'aria è una caratteristica della geometria del ventilatore ed è più o meno invariante con la velocità del rotore di ventilatore. Il piano d'immagine speculare delle due superfici 28 e 29 deve trovarsi a non più di quindici gradi circa dal piano di questa particolare tangete 30 del flusso d'aria.

Come variante di questa coclea divisa, la carenatura 31 può essere utilizzata in qualità di deflettore di rumore. Come mostrato nelle figg. 2 e 3, questa carenatura 31 guida l'aria che fuoriesce dalla sommità del rotore 21 di ventilatore ed inoltre impedisce l'irraggiamento diretto di rumore dal rotore 21 entro il locale di lavoro o locale di soggiorno. Questa carenatura 31 ha superfici, superiore ed inferiore, 32 e 33, curve che si estendono da una punta o bordo d'entrata 34 ad un bordo d'uscita 35. La distanza dal bordo d'entrata 34 al bordo d'uscita 35 è sufficiente ad estendersi oltre la parte scoperta del ventilatore 21. Ciò riduce la rumorisità diretta del ventilatore. Le superfici 32 e 33 seguono profili di flusso aerodinamico, almeno per quanto concerne le loro porzioni iniziali dove la velocità dell'aria è massima. Almeno per la porzione iniziale, le superfici superiore ed inferiore, 32 e 33, possono essere superfici a spirale logaritmica. Per ottimizzare l'efficienza, queste porzioni iniziali possono essere più o meno immagini speculari una dell'altra a cavallo di un piano corrispondente alla tangente del flusso d'aria che passa per il bordo d'entrata 34, che funge da punto di separazione per la carenatura 31.

In questa forma realizzativa, le distanze dalla circonferenza del rotore 21 di ventilatore al punto 27 di separazione ed al bordo d'entrata 34 della carenatura, debbono corrispondere ciascuna al dieci percento circa del diametro del ventilatore.

Con la struttura illustrata nelle figg. 2 e 3, e descritta qui sopra, il flusso d'aria dal ventilatore viene divìso in modo che abbia a seguire le sue linee di corrente normali, ed entra nella cavità 23 del ripiano generalmente su tutta l'area superiore dell'unità PTAC. Ciò riduce la velocità del flusso d'aria in corrispondenza del ripiano o polmone 23, ma mantiene la stessa portata volumetrica. In tal modo, la coclea divisa carenata della presente invenzione impone meno lavoro alla corrente d'aria. Ciò ha almeno due effetti benefici: la velocità di rotazione del ventilatore può essere ridotta e/o può essere ridotto l'angolo in avanti delle pale. Come conseguenza, con la coclea divisa carenata illustrata per grandi linee nelle figg. 2 e 3, si è ottenuta una riduzione del 29-30% nella riduzione di potenza all'albero, unitamente ad una riduzione della rumorosità pari a 4 dBA.

Una seconda forma realizzativa della coclea divisa della presente invenzione è illustrata schematicamente nella fig. 4. In questo caso, un ventilatore 41 ruota in senso antiorario attorno ad un asse 42. Il flusso d'aria si scarica su un ripiano o polmone 43 che dfinisce un piano d'uscita su un lato del ventilatore 41. Una coclea 44 ha una prima parete o parete esterna 45 che si estende da un punto 46 di separazione in corrispondenza del polmone o piano scarico, e che aumenta monotonamente di diametro mano a mano che si sviluppa nel senso di rotazione (cioè, in senso antiorario) attorno al ventilatore 41, per ritornare al piano 43 di scarico.

Un deflettore divisore 47 è disposto fra il rotore 41 di ventilatore e la parete esterna 45. Il deflettore divisore 47 ha una parete interna curva 48 rivolta verso il ventilatore 41 ed una parete curva esterna 49 rivolta verso la prima parete o parete esterna 45. Entrambe queste pareti, 48 e 49, seguono spirali crescenti monotonamente a partire da un punto 50 di separazione, che si colloca preferibilmente ad una distanza dalla circonferenza del rotore pari approssimativamente al dieci percento del diametro del rotore stesso.

Tangenti delle porzioni iniziali di queste curve 48 e 49 debbono essere sostanzialmente immagini speculari una dell'altra a cavallo di un piano corrispondente ad una tangente 51 del flusso d'aria che passa per il punto 50 di separazione.

Come variante di questa forma realizzativa, una porzione della parete 48 potrebbe essere prolungata sopra il rotore 41 di ventilatore per fungere da deflettore di rumore.

La prima parete 45 e la parete esterna 49 del deflettore 47 definiscono congiuntamente un condotto primario dell'aria, mentre la parete curva 48 del deflettore 47 definisce un condotto secondario dell'aria.

In una forma realizzativa preferita il sessanta-ottanta percento circa dell'aria fuoriesce attraverso il condotto primario ed il restante venti-quaranta percento fuoriesce attraverso il condotto secondario.

Anche se le forme realizzative di cui sopra interessano unità PTAC, è evidente che la coclea divisa carenata di questa disposizione sarebbe utile in condizionatori d'aria ambiente ed in altre unità HVAC, ogni qualvolta si faccia uso di un ventilatore centrifugo.

Un'ulteriore possibile applicazione della struttura della presente invenzione è illustrata nella fig. 5, e comprende la soffiante e la rete di condotti di un forno a gas. In questo caso, le porzioni principali del gruppo rotore e coclea di ventilatore sono identificate con gli stessi numeri di riferimento impiegati nelle figg.

2 e 3, ma con apice. Nella fig. 5 aria viene scaricata nel ventilatore 21' e viene divisa attraverso le due pareti 28 e 29 della coclea ed entro una pluralità di condotti 52 in un forno a gas. Se impiegata, la carenatura 31' ridurrebbe in misura significativa il rumore della soffiante che in caso contrario sarebbe convogliato attraverso i condotti dell'aria calda, assicurando il necessario controllo aerodinamico per un funzionamento silenzioso ed efficiente della soffiante. Come mostrato nella fig. 6, una disposizione a coclea divisa carenata potrebbe essere impiegata anche con un'unità di ventilazione a soffitto. In questo caso, elementi identici a quelli delle figg. 2 e 3 sono identificati con gli stessi numeri di riferimento, ma con doppio apice. L'aria che fuoriesce dal ventilatore 21'' viene diffusa e guidata dalle due pareti curve crescenti monotonamente, 28'' e 29'', tramite penetrazione in un soffitto 53 in cui l'aria viene diretta entro un condotto 54 di ventilazione sospeso al soffitto stesso. Se utilizzata, la carenatura 31'' del rotore impedisce ad una quantità significativa del rumore del ventilatore di penetrare nel condotto 54 ed assicura controllo aerodinamico.

Questa illustrazioni sono intese puramente come esempi delle molte applicazioni possibili in cui si desiderano alta efficienza e bassa rumorosità della disposizione a ventilatore centrifugo.

Anche se l'invenzione è stata descritta nei dettagli in relazione a certe forme realizzative preferite, è evidente che l'invenzione non si limita a queste sole forme realizzative. Al contrario, molte modifiche e varianti potrebbero prospettarsi agli esperti del ramo senza scostarsi dall'ambito e dallo spirito dell'invenzione come definiti nelle annesse rivendicazioni.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo a soffiante centrifuga caratterizzato da un rotore (21) di ventilatore centrifugo avente una sezione circolare di diametro prefissato ed una pluralità di palette (24) distanziate attorno alla sua circonferenza per soffiare aria centrifugamente, detta aria fuoruscendo dal rotore del ventilatore in corrispondenza di una tangente del flusso d'aria ad un angolo prefissato rispetto alla circonferenza del rotore; ed una guida (25) d'aria a coclea per dirigere aria fuoruscente dal rotore verso un piano (26) d'uscita su un lato del rotore, detta guida d'aria a coclea includendo un primo tratto (28) a parete curva avente un raggio dall'asse del rotore di ventilatore che aumenta monotonamente nel senso di rotazione del ventilatore a partire da un punto (27) di separazione prefissato più prossimo alla circonferenza del rotore e verso il piano d'uscita, un secondo tratto (29) a parete curva che si estende dal punto di separazione verso il piano d'uscita in senso contrario a quello di rotazione, detti primo e secondo tratto (28, 29) a parete curva essendo sotanzialmente immagini speculari uno dell'altro a cavallo di un piano corrispondente alla tangente (30) del flusso d'aria che passa per detto punto di separazione; ed una carentatura (31) curva sopra la circonferenza del rotore di ventilatore in corrispondenza di detto piano d'uscita.
2. 2. Gruppo a soffiante centrifuga secondo la rivendicazione 1, in cui detta carenatura (31) ha superfici superiore (32) ed inferiore (33) che si estendono nella direzione di rotazione a partire da un punto (34) di separazione della carenatura, dette superfici superiore ed inferiore essendo superfici curve crescenti monotonamente almeno per un segmento iniziale.
3. 3. Gruppo a soffiante centrifuga caratterizzato da un rotore (41) di ventilatore centrifugo avente una sezione circolare di diametro prefissato attorno ad un asse (42) ed una pluralità di palette intervallate attorno alla sua circonferenza per soffiare aria centrifugamente, detta aria fuoruscendo dal rotore di ventilatore in corrispondenza di una tangente (51) del flusso d'aria ad un angolo prefissato rispetto alla circonferenza del rotore; ed una guida (44) dell'aria a coclea per dirigere l'aria che fuoriesce dal rotore verso un piano (43) d'uscita su un lato del rotore, detta guida dell'aria a coclea includendo una prima parete curva (45) avente un raggio dall'asse (42) del rotore di ventilatore che cresce monotonamente a partire da un punto (46) di separazione prefissato, dove la prima parete curva è più vicina alla circonferenza del rotore, verso detto piano (43) d'uscita; ed un deflettore (47), avente una parete interna curva (48) che si estende da un punto (50) di separazione del deflettore ed ha un raggio dall'asse del ventilatore che aumenta monotonamente nel senso di rotazione del ventilatore, ed una parete esterna (49) che curva verso l'esterno monotonamente a partire dal punto (50) di separazione del deflettore, le pareti interna (48) ed esterna (49) del deflettore, in corrispondenza di detto punto (50) di separazione angolandosi sostanzialmente in pari misura su entrambi i lati di un piano che corrisponde alla tangente (51) del flusso d'aria passante per il punto (50) di separazione del deflettore.
4. 4. Gruppo a soffiante centrifuga secondo la rivendicazione 3, in cui detto punto (50) di separazione del deflettore è distanziato dalla circonferenza del rotore di ventilatore di una distanza sostanzialmente pari al dieci percento del diametro del rotore di ventilatore.
5. 5. Gruppo a soffiante centrifuga secondo la rivendicazione 3, in cui detto deflettore (50) divide il flusso d'aria all'interno della prima parete in modo che il 20-40 percento circa di esso scorra fra il rotore (41) di ventilatore ed il deflettore (50) ed il 60-80 percento di esso scorra fra il deflettore (50) e la prima parete curva (45) della guida (44) d'aria a coclea.
6. 6. Gruppo a soffiante centrifuga secondo la rivendicazione 3, in cui detta prima parete curva (45) è una superficie a spirale logaritmica.
7. 7. Soffiante centrifuga secondo la rivendicazione 6, in cui dette pareti interna (48) ed esterna (49) del deflettore includono ciascuna superfici a spirale logaritmica.