Panoramica sui tipi di ventilatori centrifughi

Prima di addentrarci nelle applicazioni specifiche, è utile sapere che il termine “ventilatore centrifugo” è un termine generico che comprende quattro diversi modelli di pale, ciascuno con una funzione specifica. Ecco una panoramica di riferimento rapido:

Ventilazione industriale, depolverazione e applicazioni in processi industriali pesanti

Quando la maggior parte degli ingegneri pensa alle applicazioni dei ventilatori centrifughi, sono queste le immagini che vengono in mente: capannoni industriali, filtri a maniche intasati dalla polvere, forni da cemento incandescenti a 400 °C. In ogni caso, il compito del ventilatore è fondamentalmente lo stesso: superare la resistenza del sistema gestendo al contempo tutto ciò che il flusso d’aria gli presenta. Le differenze risiedono nel significato effettivo di «resistenza del sistema» e «tutto ciò che il flusso d’aria gli presenta».

Sistemi di climatizzazione e ventilazione degli edifici

L’applicazione più diffusa dei ventilatori centrifughi è anche quella con cui le persone interagiscono ogni giorno senza rendersene conto. Ogni unità di trattamento aria (AHU) commerciale si avvale di ventilatori centrifughi per spingere l’aria trattata attraverso estese reti di condotti, attraverso le batterie di raffreddamento e oltre i filtri. Una tipica unità di trattamento aria (AHU) di un edificio adibito a uffici deve far fronte a una richiesta di pressione statica compresa tra 2 e 4 in.wg sul lato di mandata e a un’altra richiesta compresa tra 2 e 3 in.wg sul lato di ritorno — ben oltre quanto un ventilatore assiale possa sostenere in modo efficiente.

I ventilatori a pale curve in avanti sono stati a lungo la scelta standard nei sistemi HVAC commerciali, poiché sono compatti e silenziosi alle velocità moderate comprese tra 800 e 1.200 giri/min. Negli impianti di grandi dimensioni — ospedali, campus universitari, terminal aeroportuali — i ventilatori centrifughi aerodinamici li hanno progressivamente sostituiti. Un ventilatore aerodinamico in funzione in una grande unità di trattamento aria (AHU) può ridurre il consumo energetico dal 15 al 20 per cento rispetto a un'unità equivalente a pale curve in avanti. Con un ciclo di funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, tale differenza si accumula rapidamente.

Raccolta delle polveri, aspirazione dei fumi e filtrazione dell'aria

Passando dall’aria di mandata filtrata all’aria di scarico contaminata, il ruolo del ventilatore centrifugo si trasforma da elemento di comfort a sistema di sicurezza. Un depolveratore a maniche in uno stabilimento di lavorazione del legno deve aspirare l’aria attraverso decine di maniche filtranti in tessuto, ciascuna delle quali aggiunge la propria resistenza. La pressione statica totale dell’impianto in un tipico depolveratore a maniche industriale varia da 8 a 15 in.wg, sommando il carico dei filtri (da 3 a 6 in.wg ciascuno), dei gomiti dei condotti e delle cappa di aspirazione.

Qui entrano in gioco le pale radiali. Le pale diritte e per impieghi gravosi respingono le particelle anziché accumularle e possono tollerare concentrazioni di polvere in ingresso fino a 20 grani per piede cubo senza perdita di prestazioni. Per i fumi chimicamente aggressivi — nebbie acide nella galvanoplastica, vapori di solventi nelle cabine di verniciatura — l’alloggiamento del ventilatore e la girante sono spesso realizzati in acciaio inossidabile 304 o 316 con rivestimenti resistenti alla corrosione.

Negli ambienti in cui il flusso d’aria trasporta polveri combustibili o gas infiammabili, la certificazione diventa imprescindibile. I ventilatori centrifughi conformi alla normativa ATEX con struttura antiscintilla sono obbligatori in tutta l’Unione Europea e sempre più spesso richiesti nei progetti a livello globale. Una singola scintilla generata dal contatto tra la girante e l’alloggiamento può incendiare l’intero sistema di raccolta delle polveri. Nessun responsabile di impianto è disposto a correre un rischio del genere.

Industria pesante e produzione di processo

All’estremità dello spettro di applicazione si collocano i ventilatori centrifughi che operano in condizioni in cui la maggior parte delle apparecchiature meccaniche non può sopravvivere. Il ventilatore di tiraggio indotto (ID) di un cementificio aspira i gas di scarico a temperature comprese tra 250 e 400 °C dal forno attraverso la torre di preriscaldamento e il precipitatore elettrostatico, spesso contro una pressione statica del sistema superiore a 30 in.wg. Il materiale della girante non è acciaio dolce. Si tratta in genere di acciaio Corten o inossidabile 310S, scelti per la resistenza allo scorrimento a temperature elevate prolungate. I cuscinetti sono raffreddati ad acqua. L’intero gruppo può pesare diverse tonnellate.

La produzione di energia elettrica presenta un quadro simile, ma su scala ancora più ampia. Un singolo ventilatore a tiraggio forzato (FD) che fornisce aria di combustione a una caldaia a carbone può movimentare oltre un milione di piedi cubi al minuto. Non si tratta di prodotti standard. Ogni ventilatore è progettato su misura in base al modello specifico della caldaia, al tipo di combustibile e alle apparecchiature di controllo delle emissioni.

Nell'estrazione mineraria sotterranea, i ventilatori centrifughi fungono da sistema di ventilazione primaria, aspirando aria fresca lungo il pozzo ed espellendo l'aria contaminata, carica di polvere, particolato diesel e, occasionalmente, metano. L'affidabilità è un requisito imprescindibile. Un guasto a un ventilatore in una miniera comporta l'evacuazione immediata.

Nel loro insieme, queste applicazioni industriali rappresentano la maggior parte delle installazioni di ventilatori centrifughi, sia in termini di valore unitario che di dimensioni fisiche. Ma non è tutto. Se si scende di categoria — a volte in modo drastico — i ventilatori centrifughi compaiono in contesti che le guide SERP menzionano raramente.

Raffreddamento delle apparecchiature, elettronica e applicazioni compatte

I ventilatori centrifughi non si limitano agli stabilimenti industriali e alle centrali elettriche. All’interno delle apparecchiature che alimentano le moderne infrastrutture esiste un universo parallelo di ventilatori centrifughi compatti, spesso alimentati a corrente continua. Funzionano in modo silenzioso e affidabile, su una scala misurabile in millimetri anziché in metri.

Raffreddamento di armadi, cabinet e data center

Aprite qualsiasi armadio di controllo industriale, armadio per telecomunicazioni da esterno o rack per server e probabilmente troverete un ventilatore centrifugo a corrente continua che si occupa della gestione termica. I principi fisici sono gli stessi dell’industria pesante, solo su scala ridotta: i circuiti stampati e i moduli di alimentazione, disposti a fitta densità, creano un’elevata resistenza al flusso d’aria, e il ventilatore deve spingere l’aria attraverso canali stretti e lungo dissipatori di calore ravvicinati.

Un tipico ventilatore centrifugo a corrente continua da 120 mm genera una pressione statica compresa tra 2 e 4 in.wg. Si tratta di un valore pari all’incirca a quattro-otto volte quello che può produrre un ventilatore assiale di dimensioni equivalenti. Questo dislivello di pressione consente a un unico ventilatore compatto di raffreddare un intero azionamento VFD o un rack di apparecchiature di rete, evitando così di dover ricorrere a più ventilatori assiali collegati in serie.

Per le installazioni all’aperto — stazioni base di telecomunicazioni, armadi stradali, involucri per inverter solari — la protezione ambientale è importante tanto quanto il flusso d’aria. Il grado di protezione IP54 rappresenta il minimo pratico per la protezione dalla pioggia. Nelle zone costiere o ad alta umidità, spesso si richiedono gradi di protezione da IP65 a IP68, che richiedono un motore completamente sigillato e componenti elettronici incapsulati. Il controllo della velocità tramite PWM è ormai uno standard in questo segmento: la ventola accelera o rallenta in risposta al segnale di un termistore, anziché funzionare continuamente alla massima velocità, il che ne prolunga la durata e ne migliora l’efficienza energetica.

Settore automobilistico, ricarica dei veicoli elettrici e sistemi di nuova energia

L'elettrificazione dei trasporti e lo stoccaggio di energia hanno dato vita a una categoria di domanda completamente nuova per i ventilatori centrifughi, determinata dall'estrema densità termica presente in spazi ristretti.

Prendiamo ad esempio una stazione di ricarica rapida in corrente continua (CC). Ciascun modulo di ricarica all’interno dell’armadio converte la corrente alternata (CA) della rete in corrente continua (CC) ad alta tensione, con potenze comprese tra 30 e 50 kW per modulo. Il fabbisogno di dissipazione termica è paragonabile a quello di un piccolo processo industriale, ma lo spazio disponibile è misurato in unità rack, non in capannoni industriali. I ventilatori centrifughi a 48 V CC rappresentano la soluzione standard, progettati per il funzionamento continuo a temperature interne all’armadio che possono superare i 60 °C.

I sistemi di accumulo di energia (ESS) — i contenitori per batterie sempre più diffusi accanto ai parchi solari e alle turbine eoliche — rappresentano una sfida ancora più ardua. Questi sistemi funzionano all’aperto tutto l’anno, dalle estati desertiche agli inverni artici, con una temperatura ambiente compresa tra -30 e 60 °C. Le ventole che raffreddano i rack delle batterie devono soddisfare il grado di protezione IP65 o superiore, resistere al degrado causato dai raggi UV e garantire una durata dei cuscinetti L10 compresa tra 50.000 e 70.000 ore. Ciò equivale all’incirca a otto anni di funzionamento continuo. Un guasto a una ventola in un sistema ESS può causare il declassamento termico dell’intero sistema di accumulo, non solo la necessità di un intervento di manutenzione.

Gli inverter fotovoltaici, gli armadi di conversione delle turbine eoliche e gli alimentatori per elettrolizzatori a idrogeno presentano ciascuno un proprio profilo termico. Il denominatore comune: un flusso d’aria ad alta pressione e ad alta affidabilità in un ambiente con spazio limitato e spesso non presidiato.

Applicazioni compatte e integrate — Settore medico, stampa 3D e oltre

All’estremità più piccola della gamma dei ventilatori centrifughi si trovano dispositivi che la maggior parte delle persone non riconoscerebbe affatto come ventilatori. Un apparecchio CPAP o BiPAP, che eroga un flusso d’aria dosato con precisione a un paziente addormentato, si avvale di un ventilatore centrifugo in miniatura, in genere con un diametro compreso tra 50 e 80 mm, azionato da un motore a corrente continua senza spazzole con controllo di velocità di precisione PWM e feedback FG (generatore di frequenza) per la regolazione a circuito chiuso. Il livello massimo di rumore per questi dispositivi è di circa 35 dBA — più o meno il livello di un sussurro — poiché il paziente sta cercando di dormire accanto ad essi. La durata prevista è di 40.000 ore o più.

In una stampante 3D, un minuscolo ventilatore centrifugo 5015 (50 × 50 × 15 mm) dirige l’aria di raffreddamento sul filamento appena estruso. Controlla la velocità con cui ogni strato si solidifica, il che determina direttamente la qualità di stampa e le prestazioni in caso di sporgenze. In un analizzatore ematologico all’interno di un laboratorio ospedaliero, un ventilatore di dimensioni simili garantisce un controllo preciso della temperatura dei vassoi dei reagenti e dei sensori ottici. Una variazione di temperatura anche di solo 1 °C può invalidare i risultati delle analisi del sangue di un paziente.

Queste applicazioni hanno un elemento in comune: il ruolo del ventilatore centrifugo non è più quello di “muovere grandi quantità d’aria”, ma di “muovere esattamente la giusta quantità d’aria, alla pressione esatta, in modo silenzioso, per anni, senza mai fallire”. Si tratta di una sfida ingegneristica fondamentalmente diversa rispetto a quella del ventilatore ID del forno da cemento, risolta però con lo stesso meccanismo di base, ridimensionato di due ordini di grandezza.

Come scegliere il ventilatore centrifugo più adatto alla propria applicazione

Dopo aver esaminato le applicazioni che vanno dai gas di scarico dei forni a 400 °C ai ventilatori CPAP silenziosissimi, la domanda che sorge spontanea è: in quale contesto si inserisce il vostro progetto e come lo si traduce in una specifica tecnica per il ventilatore?

Parametri chiave di prestazione da definire

Prima di confrontare i diversi tipi di ventola, è necessario rispondere a cinque domande relative al proprio sistema. Ogni risposta restringe il campo delle possibilità:

1. Portata d'aria (CFM). Quanta aria deve circolare? A titolo indicativo: un piccolo armadio per apparecchiature elettroniche potrebbe richiedere da 20 a 200 CFM; un'unità di trattamento aria (AHU) commerciale di medie dimensioni, da 2.000 a 20.000 CFM; un grande sistema industriale di raccolta delle polveri, da 10.000 a 100.000 CFM o più.

2. Pressione statica (in.wg). Quanta resistenza presenta il sistema? Raffreddamento all’aria aperta: meno di 0,5 in.wg. Tratti di condotto brevi con filtri: da 1 a 5 in.wg. Sistemi con filtro a maniche o scrubber: da 5 a 15 in.wg. Processi industriali pesanti: da 15 a 30 in.wg. Questo singolo parametro è la causa più comune per cui un ventilatore, pur essendo dimensionato correttamente, non raggiunge le prestazioni previste. La resistenza del sistema è quasi sempre superiore alle stime iniziali.

3. Qualità dell'aria. Cosa è presente nel flusso d'aria? L'aria pulita e filtrata offre la più ampia scelta di modelli a ventola. Polvere, fumi o particolato limitano la scelta ai modelli con pale radiali o a pale curve all'indietro con rivestimento speciale. I gas corrosivi richiedono l'uso di acciaio inossidabile o di materiali resistenti agli agenti chimici. Polveri o vapori combustibili richiedono una struttura certificata ATEX e a prova di scintille.

4. Intervallo di temperatura. La temperatura ambiente e il calore generato dal processo influiscono sulla durata dell’isolamento del motore e sulla scelta del materiale della girante. Una utile regola empirica di ingegneria: per ogni aumento di 10 °C della temperatura di esercizio oltre la classe nominale del motore, la durata dell’isolamento si dimezza approssimativamente. Se la vostra applicazione prevede temperature costanti superiori a 80 °C all’ingresso del ventilatore, non si tratta di una semplice scelta da catalogo. È necessaria una valutazione termotecnica.

5. Rumore ed efficienza. Negli spazi occupati, i limiti di rumore possono prevalere su altri fattori. Le ventole con profilo alare e a pale curve all'indietro sono intrinsecamente più silenziose rispetto ai modelli con pale radiali. Per le applicazioni sensibili dal punto di vista energetico — ovvero quelle che funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7 — i motori EC (a commutazione elettronica) con controllo della velocità variabile offrono notevoli risparmi sui costi del ciclo di vita rispetto ai motori a induzione CA a velocità fissa, in particolare in condizioni di carico parziale.

Scegliere il tipo di ventola più adatto alle proprie esigenze applicative

Una volta quantificati questi cinque parametri, la tabella seguente mette in relazione i profili applicativi tipici con il tipo di ventilatore centrifugo più adatto:

Per i progetti che prevedono combinazioni insolite — ad esempio, alta temperatura e gas corrosivo, oppure bassissima rumorosità e particolato — la tabella sopra riportata costituisce un punto di partenza, ma potrebbe non esistere un ventilatore standard a catalogo che corrisponda esattamente al vostro profilo. In questi casi, collaborare con un produttore che offre supporto ingegneristico interno e lo sviluppo di ventilatori su misura consente di risparmiare mesi di tentativi ed errori. Un produttore con una linea completa di ventilatori centrifughi — configurazioni radiali AC, radiali DC e soffianti compatte — supportato da un team di ingegneri applicativi che si occupa della selezione basata sui parametri e della personalizzazione OEM/ODM, è spesso in grado di fornire una soluzione su misura più rapidamente di quanto voi possiate valutare e scartare diverse opzioni disponibili in commercio.

Bibliografia

• Air Movement and Control Association (AMCA) International. “Ventilatori e impianti”. Pubblicazione AMCA n. 201.
• Cory, William. Ventilatori e ventilazione: una guida pratica. Elsevier, 2005.
• ACDCFAN. “Gamma di ventilatori centrifughi.” acdcecfan.com/ventilatore-centrifugo/
• ACDCFAN. “Contatti per l’assistenza nella selezione tecnica.” acdcecfan.com/contatti/
• ACDCFAN. “Sito web ufficiale.” acdcecfan.com