Brevet FR2647191A1 — publié le 19901123

Ensemble ventilateur--tator pour échangeur de chaleur La présente invention se rapporte à des ventila- teurs de circulation d'air et elle concerne plus particu- lièrement un échangeur de chaleur dans lequel un ventila- teur aspire ou force de l'air à travers un serpentin d'échangeur de chaleur. L'invention concerne plus précisé- ment l'utilisation d'un étage de stator avec un ventila- teur hélicoïdal qui fait passer de l'air à travers un ser- pentin d'échangeur de chaleur. Dans une forme particulière de réalisation décri- te ici. un étage de stator est monté avec avantage dans un conditionneur d'air à terminal monobloc (PTAC) et il serait aussi approprie pour des conditionneurs d'air d'immeubles ou pour d'autres dispositifs analogues. Un conditionneur d'air à terminal monobloc est une unité qui possède un côté interne ou intérieur qui communique avec un côté externe ou extérieur par l'in- termédiaire d'une traversée pratlquee dans un mur d'un immeuble. Ces unités sont généralement utilisées aussi bien en été, comme conditionneur d'air pour le refroidis- sement. qu'en hiver, comme pompe à chaleur, pour le chauf- fage. Le PTAC utilise généralement le même moteur et le même arbre d'entraînement pour entraîner un ventilateur centrifuge sur le côté intérieur et un ventilateur héli- coïdal sur le côté extérieur. On cherche depuis longtemps dans l'industrie à accroître le rendement de l'entraînement de l'air des ven- tilateurs. Ceci apporterait le double avantage de demander moins d'énergie électrique et de réduire le niveau de bruit produit par les ventilateurs. Bien que les stators en général soient bien con- nus, par exemple, dans différents compresseurs. ils n'étalent pas 3usqu'à présent utilisés largement dans le domaine du chauffage, de la ventilation et du condition- nement d'air (HVAC) et ils n'ont jamais été utilisés dans les unités PTAC. Une combinaison d'un ventilateur hélicoïdal et d'un ensemble stator a déjà été décrite dans le brevet des E.U.A. N 4 548 548 pour l'utilisation dans le domaine au- tomobile. Dans ce brevet, le ventilateur est destiné à souffler de l'air à travers un échangeur de chaleur et un stator circulaire est placé immédiatement en aval du ven- tilateur pour diriger L'échappement axialement. Dans ce cas, on vise à éliminer les composantes rotatives et à faire passer un flux d'air plus uniforme à travers l'échangeur de chaleur. L'ensemble stator du brevet Gray précité fait partie de l'araignée ou du ohâssis qui sus- pend le ventilateur et le moteur en avant de l'échangeur de chaleur. Ici, le stator était aussi spécifiquement des- tiné à être utilisé avec ce qu'on appelle un ventilateur à roue fermée, dans lequel les pointes des pales du ventila- teur sont reliées à une.jupe ciroonférentielle. Dans le brevet américain précité, le stator est circulaire en section transversale parce qu'il est intégré au svstème ventila- teur-moteur et qu'il est conçu pour recevoir la veine do- minée par le ventilateur. Ceci constitue une bonne pra- tique lorsque, soit l'aire frontale effective du ventila- teur est approximativement égale à l'aire frontale du ser- pentin, soit l'axe du ventilateur coïncide avec le centre géométrique de la face du serpentin. Au contraire, lorsque l'aire frontale du serpen- tin est beaucoup plus grande que l'aire frontale du venti- lateur et/ou que l'axe du ventilateur est décalé par rap- port à l'axe géométrique du serpentin, il faut tenir oomp- te de la diffusion lorsqu'on choisit l'emplacement et la géométrie du stator si l'on veut obtenir le maximum d'avantages. Ceci est critique parce qu'il est très diffi- cile de décaler ou de dilater la veine pour la faire pas- ser de la géométrie et de la section de sortie circulaire du ventilateur à la géométrie rectangulaire, plus large et/ou décentrée, du serpentin. Il est nécessaire de diffu- ser au maximum si l'on veut minimiser la tendance naturel- le à donner lieu à un écoulement d'air non uniforme à tra- vers la face frontale du serpentin, et un accroissement concomitant (relativement à un écoulement uniforme) de la perte de pression sur le c6té air du serpentin, et à la sous-utilisation de la surface de transmission de chaleur. Pour assurer la diffusion maximum, qui vise à ob- tenir une maîtrise favorable des effets précités, il est - souhaitable de placer le stator contre le serpentin et d'étudier sa géométrie d'ensemble de manière qu'elle s'ac- corde à l'aire de la face frontale du serpentin. Ceci per- met à la force centrifuge due au mouvement tourbillonnaire de faciliter le processus de diffusion vers l'extérieur et de porter ainsi au maximum l'uniformité de la veine d'air qui atteint la face frontale du serpentin. Si le stator était placé sensiblement à la sortie du ventilateur (bre- vet Gray précité). la composante tourbillonnaire de la vi- tesse serait supprimée avant le processus de diffusion et elle ne serait donc plus disponible pour assurer la diffu- sion voulue. Un but de l'invention est de récupérer une grande partie de l'énergie de rotation contenue dans le refoule- ment d'un ventilateur hélicoïdal et à la transformer en une forme utilisable, par exemple, par une plus grande pression, tout en portant au maximum l'uniformité de la répartition de la veine d'air sur la face frontale du ser- pentin et en réduisant à un minimum l'angle formé entre le paquet d'ailettes du serpentin et le vecteur vitesse de l'air incident. Un autre but apparenté de cette invention consiste à réduire le bruit du ventilateur et la demande de puissance sur l'arbre du ventilateur pour un ventila- teur hélicoïdal utilisé avec un serpentin d'échangeur de chaleur. 2647 1 9 1 Selon un aspect de l'invention, un serpentin de condenseur à ailettes ou autre serpentin d'échangeur de chaleur, est combiné à un ventilateur hélicoïdal à flux axial, un carénage et un étage de stator disposé sensible- ment contre le côté ventilateur du serpentin. Le serpentin d'échangeur de chaleur possède une face plate et une plu- ralité d'ailettes qui définissent des passages et entre lesquelles l'air passe à travers l'échangeur de chaleur. Ces passages sont donc sensiblement perpendiculaire à cet- te face plane. Le ventilateur hélicoïdal à flux axial est positionné de façon à faire face à la face plane de l'échangeur de chaleur, et de façon que son axe traverse l'échangeur de chaleur. Toutefois, dans la plupart des cas. l'axe du ventilateur est déporté d'un côté ou de l'autre du centre de l'échangeur de chaleur. Le ventila- teur possède un moyeu et une pluralité de pales qui part du moyeu dans des directions rayonnantes, et il est en- traîné en rotation par un moteur électrique ou équivalent. Les pales ont un pas qui est choisi pour imprimer un mou- vement d'écoulement sensiblement axial à l'air lorsque le ventilateur tourne. Toutefois, l'écoulement possède aussi une composante tourbillonnaire, c'est-à-dire une composan- te orientée dans la direction tangentielle ou ciroonféren- tielle. Un carénage enveloppe le ventilateur et l'échan- geur de chaleur pour guider l'air vers le ventilateur. Le carénage garantit aussi que l'air est forcé & travers l'échangeur de chaleur et ne revient pas simplement au cô- té d'entrée du ventilateur. L'étage de stator est monté sur la face plate de l'échangeur de chaleur et il recouvre sensiblement cette face. L'étage de stator possède un'ca- dre extérieur qui coïncide sensiblement avec le périmètre de la face plate et un anneau qui est sensiblement coaxial au ventilateur. Une pluralité d'aubes ou pales radiales de stator s'étendent de l'anneau au cadre et ces aubes ont un pas complémentaire de celui des pales du ventilateur. Les aubes du stator redressent le flux d'air jusqu'à ce que la vitesse de l'air soit sensiblement axiale. Ceci transforme l'énergie cinétique du mouvement tourbillonnaire en une forme d'énergie plus utile, par elévation de la pression statique. Ceci réduit en outre l'angle formé entre les ailettes du serpentin et le flux d'air incident, pour réduire ainsi la perte de charge de pression sur le côté air du serpentin. Le fait de placer le stator contre le serpentin, plutôt que de le placer à proximité immédiate de la sortie du ventilateur permet de tirer avantage du mouvement tour- billonnaire pour assister la diffusion avant de transfor- mer le mouvement tourbillonnaire en pression statique. Le mouvement tourbillonnaire projette le flux d'air dans la direction centrifuge, ce qui favorise l'obtention d'un écoulement uniforme sur toute la surface du serpentin. Ce n'est qu'après que cette diffusion a été portée à un maxi- mum que le stator intervient pour éliminer l'énergie tour- billonnaire et la transformer en pression statique. Etant donné qu'il se produit un maximum de diffusion, la veine d'écoulement est dominée par la présence et par les dimen- sions caractéristiques du serpentin. Pour cette raison le stator optimal est celui qui est configuré de manière à posséder la forme sensiblement rectangulaire du serpentin. Il est facile de comprendre qu'un ventilateur hé- licoïdal interposé dans le circuit de circulation d'air accroît la pression statique et l'énergie cinétique du fluide. Le flux d'air qui sort des pales présente un vec- teur vitesse VAF qui possède à la fois une composante axiale et une composante tangentielle V90. Si l'on ne fait rien pour récupérer l'énergie contenue dans la composante tangentielle, cette énergie finit par être dissipée sous la forme de chaleur. C'est-à-dire que le mouvement tour- billonnaire ou la composante tangentielle du travail exé- cuté sur le fluide est donc perdue. Si la composante tan- gentielle V80 peut être récupérée efficacement, la perte qu'elle engendrerait est réduite à un minimum. La modi- fication de cette composante Veo est récupérée sous la forme d'un accroissement de la pression statique. Un étage de stator qui est un ensemble plat de pales ou aubes fixes de stator réduit efficacement cette composante V80. C'est- à-dire que le flux d'air pénétrant dans l'étage de stator possède la vitesse d'écoulement VAF tandis que le flux d'air qui sort de l'étage de stator possède une vitesse Vs qui comprend une composante tangentielle Ve1 nota- blement inférieure. La différence entre ces composantes V80 et Vel, diminuée des pertes dues à la présence des aubes du stator, représente une transformation en pression statique au droit de la face frontale de l'échangeur de chaleur. A son tour, cette transformation représente un accroissement de la pression statique. Etant donné que la région du stator récupère maintenant ce qui serait perdu autrement en transformant l'énergie cinétique en énergie statique, on a besoin de moins de travail fluidique qu'an- térieurement pour engendrer la même pression statique. On peut favoriser ce processus par une réduction des besoins de pression statique du système. Cette réduction résulte d'une réduction de la perte dans le serpentin, qui est elle-même une conséquence de la réduction de l'angle entre le conduit aileté et le flux d'air incident, et ainsi que de la plus grande uniformité de la répartition du flux d'air sur la surface du serpentin. On peut donc utiliser, pour un même système, un ventilateur développant une plus faible élévation de la pression statique, en combinaison avec l'étage de stator, en remplacement d'un ventilateur à haute élévation de la pression mais sans stator. Ceci se traduit par un fonctionnement beaucoup plus silencieux et par une grande réduction de la puissance qui est nécessai- re pour refouler un débit d'air donné. Dans des essais exécutés avec la forme de réali- sation décrite plus bas, on a obtenu une réduction de 0O% de la puissance sur l'arbre et une réduction de 3,6 dBA du bruit gr&ce à l'étage de stator placé en aval du ventila- teur hélicoïdal sur le- côté extérieur ou côté condenseur d'un PTAC. Ce résultat est obtenu sans réduction du débit d'air réel. Les buts, caractéristiques et avantages de l'in- vention qui ont été cités plus haut ainsi que beaucoup d'autres apparaitront plus clairement à la lecture de la description d'une forme préférée de réalisation de l'in- vention qui est donnée ci-après et qui doit être lue en regard des dessins annexes. La figure 1 est une vue de dessus en coupe et schématique d'une unité de conditionneur d'air à terminal monobloc (PTAC) qui comprend l'échangeur de chaleur, le ventilateur et l'ensemble stator selon une forme de réa- lisation de l'invention; la figure 1A est une vue supplémentaire d'une partie de l'unité de la figure 1, qui sert à expliquer l'effet de l'angle d'incidence du flux d'air sur les ai- lettes de l'échangeur de chaleur; la figure 2 est-une vue en perspective éclatée de la partie extérieure ou partie condenseur du PTAC; la figure 3 est une vue en élévation avant d'un ensemble stator selon cette forme de réalisation de l'in- vention; la figure 4 représente une aube ou pale typique de l'ensemble stator de la figure 3;, la figure 5 est une vue en coupe de l'aube de stator de la figure 4, prise selon les lignes 5-5 de cette figure; la figure 6 est un diagramme qui est relatif à l'élévation ideale de la pression gazeuse développée par un ventilateur sans frottement, qui peut être attribué à la composante de vitesse d'écoulement tourbillonnaire dans un flux d'air de sortie; la figure 7 est une vue schématique prise dans la direction radiale de l'ensemble ventilateur et stator, qui montre l'effet de l'ensemble stator sur l'angle d'inciden- ce de l'air sur les ailettes de l'échangeur de chaleur; la figure 8 est un diagramme qui compare l'éléva- tion idéale de la pression gazeuse d'un ventilateur héli- coïdal sans frottement et d'un ventilateur hélicoïdal équipé de l'ensemble stator; les figures 9 et 10 illustrent des ensembles sta- tor ventilateur destinés à assurer respectivement une récupération partielle et une récupération totale de la composante tourbillonnaire. Comme on le voit en se reportant aux dessins et initialement à la figure 1, une unité conditionneur d'air à terminal monobloc (PTAC) 10 possède une partie intérieu- re 12 qui comprend un serpentin d'évaporateur 14 et un ventilateur centrifuge 16 monté sur un arbre d'entra ne- ment 18. Une partie extérieure 20 comprend un serpentin de condenseur 22 et un ventilateur hélicoïdal 24 entra né par un arbre 18. Le ventilateur 24 possède un moyeu 26 monté sur l'arbre 18 et un certain nombre de pales 28 qui par- tent du moyeu 26 dans des directions rayonnantes. Un carénage 30 enveloppe le serpentin 22 en par- tant d'une ouverture circulaire 22 située au droit des pointes des pales 28 du ventilateur. Le carénage 30 guide l'air vers le ventilateur 24 et, de là, le fait passer à travers l'échangeur de chaleur 22- Le carénage sert aussi à empêcher l'air de se recycler ou de revenir en boucle en traversant le ventilateur. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 1A, le flux d'air sortant du ventilateur 24 n'est pas axial mais il présente son vecteur vitesse 36 incliné, de sorte qu'il frappe les ailettes 34 de l'échangeur de chaleur sous un angle d'incidence notable. En conséquence, à la surface de l'échangeur de chaleur, le flux d'air doit s'infléchir dans une direction axiale pour passer à travers les pas- sages formés entre les ailettes 30. Ce grand changement de direction accroît les pertes de pression à travers l'échangeur de chaleur. Pour corriger le mouvement tourbillonnaire, un étage de stator 40 est placé contre le serpentin 22 du condenseur, sur le c6té ventilateur de ce condenseur, ain- si qu'on l'a représenté, par exemple, sur la figure 2. Comme on le voit encore sur la figure 3, l'étage de stator est de forme allongée et rectangulaire, avec un cadre 42 qui co ncide sensiblement avec la périphérie du c6té serpentin 22 du condenseur qui regarde le ventilateur. L'axe du ventilateur e.st excentré par rapport au serpentin 22, de sorte que le ventilateur 24 possède une aire de section avant projetée qui est beaucoup plus petite que l'aire de section du serpentin 22 du condenseur. En outre, en raison de cette géométrie, l'anneau 44 qui supporte les aubes est situé d'un côté du centre du cadre 42, de maniè- re à être coaxial au ventilateur hélicoïdal 24. Un nombre approprié d'aubes de stator 46 partent de l'anneau 44 vers l'extérieur selon des rayons, jusqu'au cadre périphérique 42. Une de ces aubes 46, qui est un exemple typique, est représentée sur la figure 4. Les aubes 46 sont de préfé- rence, bien que non nécessairement, sensiblement uniformes en largeur et en forme d'une extrémité à l'autre et elles sont légèrement bombées ou incurvées en section transver- sale, comme ceci est représenté sur la figure 5. Au droit de l'anneau 44, les aubes 46 sont aussi rapprochées que possible, bien que ceci ne soit pas nécessaire. Le cadre 42, l'anneau 44 et les aubes 46 sont de préférence moulés en une seule pièce en une résine synthétique plastique. Une section ouverte 48 ménagée à l'intérieur de l'anneau 44 laisse passer l'air. Le fonctionnement et l'efficacité de cet ensemble sont faciles à comprendre à la lecture de la description qui va suivre, et qui concerne les figures 6 à 10. Pour un ventilateur sans frottement ou idéal, présentant un décalage des pales de 150 , la valeur rela- tive de l'élévation de pression qul peut être attribuée à la composante tourbillonnaire de la vitesse contenue dans le courant d'air de sortie est telle que celle représentée de façon générale sur la figure 6. Si la composante vites- se tourbillonnaire peut être évitée ou corrigée, on peut récupérer une fraction pouvant atteindre le pourcentage représenté en ordonnées, par exemple, sous la forme d'une pression statique plus élevée. L'effet correctif de l'étage de stator 40 est fa- cile à comprendre à l'examen de la figure 7. Ici, pour simplifier, on a supposé un ventilateur idéal sans frotte- ment et un stator idéal. La pale 28 du ventilateur, vue dans la direction radiale du ventilateur, se déplace vers la gauche de la page, et possède un vecteur vitesse de pointe de pale UF, tel que celui représenté. Le vecteur vitesse de refoulement VRF de l'air force, c'est-à-dire le vecteur par rapport à la pale du ventilateur, s'étend se- lon la direction du bord de fuite de la pale du ventila- teur, comme représenté, tandis que le vecteur de la vites- se absolue de refoulement du ventilateur VAF, c'est-à-dire le vecteur par rapport à l'étage de stator 46, résulte de la combinaison algébrique des vecteurs VRF et UF. Ce vec- teur vitesse VAF possède une importante composante tangen- tielle de vitesse de refoulement V 0. S'il n'est pas cor- rigé, comme on l'a représenté sur le c6té droit de la fi- gure 7, le vecteur vitesse d'écoulement 36 frappe les ai- lettes 34 du serpentin du condenseur selon un grand angle et ceci se traduit par une perte de pression notable. En outre, Veo0 représente l'énergie cinétique introduite dans le flux d'air et qui est finalement dissipée en chaleur. Elle représente donc une perte. i1 Avec l'étage de stator 40 présent sur le côté gauche de la figure 7, comme on l'a représenté graphique- ment, les aubes 46 du stator modifient la direction du vecteur vitesse du flux d'air. Etant donné que le pas des aubes 46 est complémentaire du pas des pales 26 du stator, on obtient à la sortie du stator un vecteur vitesse abso- lue résultant Vs comme représenté. Ce vecteur vitesse pos- sède une composante tangentielle ou tourbillonnaire Ve1 relativement petite. La différence entre les vecteurs vi- tesses V90 et Ve1 représente un gain de pression statique obtenu au niveau de la face du serpentin 22 du condenseur. En outre, étant donné que le vecteur VS du flux est inflé- chi vers la direction axiale, l'air frappant le serpentin 22 pénètre plus directement dans la direction axiale, c'est-à-dire parallèlement aux ailettes 34, en réduisant ainsi notablement les pertes par turbulence au niveau de la face frontale du serpentin 22. Les besoins du système en pression statique sont donc réduits en conséquence. Ainsi que ceci est représenté sur la figure 8, l'étage de stator 40 peut produire une élévation notable de la pression statique lorsqu'il est utilisé avec le ventilateur hélicoïdal (courbe en trait interrompu), com- parativement à la pression qui peut être attribuée au ven- tilateur hélicoïdal utilisé seul (courbe en trait conti- nu). L'exposé donné ci-dessus supposait un ventilateur idéal, sans frottement, et un stator idéal, sans frotte- ment. Toutefois, des pertes seront associées à la récupé- ration de l'énergie tourbillonnaire, en raison des effets de la viscosité. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 9, si une aube ou pale 46' du rotor est choisie de manière à effectuer un redressement complet du vecteur vitesse (comme ceci est représenté par les flèches du flux inci- dent et du flux sortant), il se produit des pertes d'éner- gie en raison de la présence de régions de turbulence 38 sur les surfaces des pales ou aubes 46' du stator. En gé- néral, oes pertes croissent avec le degré de redressement du flux d'air. On peut donc tirer le maximum d'avantages de l'étage de stator 40 lorsque l'orientation de sortie ou d'écoulement sortant du stator n'est pas parfaitement axiale, comme ceci est représenté dans la vue du mode à récupération partielle de la figure 10. Dans une forme de réalisation pratique, ainsi qu'on l'a représenté graphiquement sur la figure 10, la géométrie de l'aube de stator 46 est choisie, comparati- vement à celle de la pale de ventilateur, de manière à ob- tenir le maximum de récupération nette de la composante tourbillonnaire. C'est-à-dire que, dans cette forme de réalisation pratique, les pertes d'énergie qui peuvent être attribuées à la fois à la composante tourbillonnaire Ve1 et à la turbulence provoquée par la présence de l'aube 46 du stator, au total, sont réduites à un minimum. Lorsque l'étage de stator 40 posédant les carac- téristiques décrites plus haut a été incorporé au côté ex- térieur d'une unité conditionneur d'air à terminal mono- bloc, on a mesuré une réduction de quarante pourcent de la puissance sur l'arbre, et une réduction de 3,6 dBA du bruit, qui sont toutes deux directement attribuables à l'étage de stator I0. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus à propos d'une seule forme de réalisation préférée, il va de soi que de nombreuses modifications et variantes possibles pourront être introduites par l'homme de l'art sans pour cela sortir de la portée ni du principe de l'invention, qui sont définis dans les revendications annexées. R E V E N D I C A T I ONS S 1. Ensemble échangeur de chaleur et ventilateur, caractérisé par: un serpentin d'échangeur de chaleur (22) possé- dant une face plate et une pluralité d'ailettes qui défi- nissent entre elles des passages d'air qui traversent l'échangeur de chaleur sensiblement perpendiculairement à ladite face plate; un ventilateur hélicoïdal à flux axial (24) posi- tionné pour faire face à ladite face plate de l'échangeur de chaleur, et dont l'axe traverse l'échangeur de chaleur, comprenant un moyeu (26), une pluralité de pales (28) qui partent du moyeu dans des directions rayonnantes, et des moyens d'entraînement (18) servant à faire tourner le moyeu et les pales, lesdites pales possédant un pas choisi de manière à imprimer un mouvement d'écoulement sensible- ment axial à l'air lorsque le ventilateur tourne, l'écou- lement possédant aussi une composante tourbillonnaire (V80) dans la direction circonférentielle; un carénage (30) qui recouvre ledit ventilateur et l'échangeur de chaleur pour guider l'air vers ledit ventilateur de manière qu'il soit refoulé par ce dernier à travers le serpentin (22) de l'échangeur de chaleur; et un stator (40) monté sur ladite face plate dudit échangeur de chaleur et qui recouvre sensiblement entière- ment cette face, comprenant une pluralité d'aubes radiales (46) qui ont un pas complémentaire de celui des pales du ventilateur, pour infléchir ladite composante tourbil- lonnaire (V 0) de l'écoulement de l'air au droit de ladite face de l'échangeur de chaleur sensiblement vers la direc- tion axiale de manière que l'air pénètre plus directement (Vs) dans les passages de l'échangeur de chaleur. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit stator (40) comprend un cadre extérieur rectangulaire (42) de forme allongée qui coïncide avec le périmètre de ladite face plate et un anneau (44) sensible- ment coaxial audit ventilateur, lesdites aubes (46) du stator s'étendant radialement dudit anneau (44) audit ca- dre extérieur (42). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit axe du ventilateur est nettement déporté d'un coté du centre de ladite face plate de l'échangeur de chaleur et ledit stator est de même formé avec un anneau (44) qui est déporté également du même côté.