Les ventilateurs

• Types de ventilateur
• Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes
• Les ventilateurs centrifuges
• Les ventilateurs tangentiels
• Les extracteurs de toiture

Types de ventilateur

Classification 1 : en fonction de la direction de l'air pulsé

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes : l'air est aspiré et propulsé parallèlement à l'axe de rotation du ventilateur.

Les ventilateurs radiaux ou centrifuges : l'air est aspiré parallèlement à l'axe de rotation et propulsé par force centrifuge perpendiculairement ce même axe. Il existe des ventilateurs à aubes recourbées vers l'avant (à aubages avant), à aubes recourbées vers l'arrière (à aubages arrière) ou à aubes radiales. Il existe aussi des ventilateurs centrifuges à deux ouïes d'aspiration. Ces roues plus larges, parfois composées de deux roues simple ouïe accolées, aspirent l'air de chaque côté de la roue.

Les ventilateurs tangentiels : l'air est aspiré et refoulé perpendiculairement à l'axe de rotation.

Ventilateur axial.	Ventilateur centrifuge.

Classification 2 : en fonction de la pression

Ventilateur basse pression	p < 1 500 Pa
Ventilateur moyenne pression	1 500 PA < p < 3 600 PA
Ventilateur haute pression	3 600 PA < p < 10 000 PA
(Compresseur)	(p > 10 000 PA)

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes permettent des débits importants mais ne peuvent en général assurer des différences de pression importantes que si la vitesse périphérique des pales est importante. Ils sont alors souvent bruyants. Des progrès récents permettent cependant à certains constructeurs d'obtenir des caractéristiques semblables aux ventilateurs centrifuges avec des niveaux de bruit à peine plus élevés. Ces ventilateurs sont en outre très simples à implanter et de faible coût.

Il n'y a pratiquement pas de limite dans les débits pouvant être atteints par ce type de ventilateur.

Ventilateur de conduit.	Ventilateur de paroi.

Il existe des ventilateurs axiaux :

• De brassage sans enveloppe.
• De paroi ou de fenêtres avec enveloppe. C'est principalement ce type de ventilateur qu'on appelle "hélicoïde".
• A enveloppe, avec hélice seule, distributeur (amont) et hélice, hélice et redresseur (dispositif placé en aval permettant d'augmenter le rendement), 2 hélices contre-rotatives (la première hélice joue le rôle de distributeur mobile et la deuxième de redresseur mobile).
• A pales mobiles dont l'orientation peut être modifiée soit automatiquement en cours de fonctionnement, soit manuellement.

A toutes les variantes, on peut encore ajouter des pavillons et des diffuseurs.

On distingue ensuite les ventilateurs suivant le rapport de moyeu. On appelle rapport de moyeu le rapport entre le diamètre du moyeu de l'hélice et le diamètre extérieur de l'hélice. Plus le rapport de moyeu est grand, plus le ventilateur est capable de délivrer des pressions élevées.

Désignation	Rapport de moyeu	Gain de pression
Ventilateur basse pression	0,25 - 0,40	300 PA
Ventilateur moyenne pression	0,40 - 0,50	3 000 PA
Ventilateur haute pression	0,50 - 0,70	10 000 PA

Les ventilateurs hélicoïdes haute pression sont parfois composés de deux ventilateurs en séries tournant en sens inverse. On parle alors de ventilateurs "contre-rotatifs".

Profil de fonctionnement

La courbe caractéristique de ces ventilateurs présente une zone d'instabilité dans la zone des faibles débits (pompage), zone de travail qu'il faut éviter. Les problèmes de pompage apparaissent plus facilement lorsque plusieurs ventilateurs sont placés en parallèle ou au démarrage contre un circuit fermé.

Pour les débits plus élevés, la pression chute rapidement avec le débit. Ceci a pour intérêt de permettre d'importantes variations de pression sans modifier le débit. Ceci n'est pas possible avec un ventilateur centrifuge.

La puissance absorbée par un ventilateur hélicoïde diminue de façon semblable à la pression lorsque le débit augmente (à débit nul, la puissance absorbée est généralement plus élevée que dans la plage normale d'utilisation).

Courbes caractéristiques d'un ventilateur hélicoïde
avec ou sans pavillon à l'aspiration.

Remarque. Les fabricants ne représentent pas tous les performances dans les mêmes conditions du fait des multiples possibilités d'équipements, telles que : diffuseurs, redresseurs, pavillons, etc. Il faut donc toujours bien vérifier dans quelles conditions sont données les caractéristiques pour pouvoir effectuer des comparaisons valables.

Rendement

Les ventilateurs hélicoïdes peuvent avoir des rendements très élevés (jusqu'à 90 %) mais sont très sensibles aux conditions d'alimentation, c'est-à-dire au profil de vitesse de l'air en amont du ventilateur.

Exemple

Type de ventilateur	Rendement
Ventilateur de paroi ou de conduit sans aubes directrices	40 à 65 %
Avec angle de calage des aubes variable mais sans aubes directrices	70 à 78 %
Avec angle de calage des aubes variable et avec aubes directrices	75 à 85 %
Ventilateurs contre-rotatifs à angle de calage des aubes variable	80 à 90 %

Possibilités de réglage

Les ventilateurs hélicoïdes peuvent être réglés par :

• la variation de l'angle de calage des pales, au montage, à l'arrêt ou même en marche,
• la variation du calage des aubes d'un inclineur placé en amont de la roue,
• le réglage du débit d'un registre placé en aval.

Courbes caractéristiques et rendement d'un ventilateur hélicoïde
en fonction de la variation de l'angle de calage des pales.

Niveau de puissance sonore

Un ventilateur hélicoïde bien conçu peut avoir un niveau sonore proche des ventilateurs centrifuges. Un mauvais dessin peut cependant les rendre nettement plus bruyants. D'autres caractéristiques peuvent augmenter le bruit du ventilateur :

• l'absence de pavillon à l'aspiration lorsqu'il fonctionne à l'air libre,
• un grillage de protection placé en amont du ventilateur.

Puissance sonore d'un ventilateur hélicoïde avec ou sans pavillon à l'aspiration.

Domaines d'application

Les ventilateurs axiaux sont utilisés là où il n'existe pratiquement pas de canalisation. Ils peuvent aussi être insérés dans des conduits, là où se posent des problèmes d'encombrement.

Ventilateur hélicoïde de conduit.	Ventilateur hélicoïde mural.
Insertion d'un ventilateur hélicoïde dans un conduit.

Les ventilateurs centrifuges

A diamètre de roue égal, les ventilateurs centrifuges ont une capacité de débit inférieure aux ventilateurs hélicoïdes mais permettent des différences de pression nettement plus élevées. Si on veut augmenter le débit, il faut utiliser une roue double avec deux ouïes d'aspiration.

Il existe des ventilateurs centrifuges :

• "A aubes inclinées vers l'avant", appelés aussi "à action" ou "en cage d'écureuil". La roue de ces ventilateurs comprend un nombre important d'aubes de faible hauteur. Elles sont inclinées dans le sens de rotation de la roue.
• "A aubes inclinées vers l'arrière", appelés aussi "à réaction". La roue de ces ventilateurs comprend un nombre réduit d'aubes de plus grande hauteur. Elles sont inclinées dans le sens inverse de la rotation de la roue.
• "A aubes radiales". La roue de ces ventilateurs est composée d'aubes droites. Ce dernier type de ventilateur a un très mauvais rendement et est peu utilisé dans les installations de ventilation et de conditionnement d'air. Etant, de par sa forme, relativement insensible à l'encrassement, on l'utilise principalment dans l'industrie pour assurer le transport pneumatique de produits légers comme les copeaux, les poussières, ...

Roue de ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l'arrière (double ouïe).	Roue de ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l'avant (double ouïe).

Profil de fonctionnement

Courbe caractéristique d'un ventilateur à aubes recourbées vers l'avant (AV) et à aubes recourbées vers l'arrière (AR), pour un même point de fonctionnement.

	Roue à pales couchées vers l'arrière	Roue à pales couchées vers l'avant
Type de courbe caractéristique	pentue	plate
Pour une grande variation de pression (par exemple fermeture d'un clapet d'étranglement, encrassement des filtres)	faible variation de débit et de la puissance absorbée	grande variation de débit et de la puissance absorbée

Rendement

Le rendement des ventilateurs à aubes inclinées vers l'avant ont un rendement maximum (60 à 75 %) inférieur aux ventilateurs à aubes inclinées vers l'arrière (75 à 85 %).

Possibilités de réglage

Les ventilateurs centrifuges se prêtent bien à un réglage du débit par création d'une rotation préalable de la veine d'air entrant dans la roue au moyen d'un aubage orientable dit "inclineur" ou "aubage de prérotation". Cette technique disparaît cependant progressivement au profit de la variation de vitesse par convertisseur de fréquence.

Réglage du débit d'un ventilateur centrifuge par aubage de prérotation placé sur l'ouïe d'aspiration : à chaque valeur de l'inclinaison des aubes pouvant pivoter autour de leur axe, correspond une nouvelle valeur de la prérotation de l'air et deux nouvelles courbes de pression et de puissance.

Les roues centrifuges peuvent aussi être utilisées avec un registre réglable placé si possible en aval. Celui-ci introduit une perte de charge supplémentaire et modifie le point de fonctionnement de l'installation. La puissance va diminuer rapidement avec le débit, contrairement aux roues hélicoïdes.

Niveau de puissance sonore

Les ventilateurs centrifuges sont réputés plus silencieux que les hélicoïdes. Un ventilateur centrifuge de rendement médiocre peut cependant être plus bruyant qu'un hélicoïde spécialement conçu pour allier silence et rendement.

Pour un ventilateur centrifuge aspirant à l'air libre, il est souhaitable d'adapter un pavillon bien dessiné à son ouïe d'aspiration si son enveloppe n'en comporte pas à la construction. Son grillage de protection ne doit pas créer de sillages importants (bruits de sirène à l'entrée de la roue).

Comparaison entre les ventilateurs à aubes inclinées vers l'avant et à aubes inclinées vers l'arrière

Comparaison de deux ventilateurs de même taille  (roues de diamètre 900 à double ouïe d'aspiration),
c'est-à-dire deux roues centrifuges pouvant être disposées dans une même enveloppe.

Pour un même point de fonctionnement (débit 60 000 m³/h et pression 1 000 PA) :

Pour un même point de fonctionnement, la roue avec aubes vers l'avant  nécessite toujours une plus faible vitesse de rotation. Le bruit produit par la roue avec aubes vers l'avant sera donc moins intense. Lorsque la perte de charge varie dans le circuit aéraulique, la variation de débit qui en résulte est nettement plus importante pour les roues inclinées vers l'avant. Leur point théorique de fonctionnement doit donc être calculé avec beaucoup de rigueur. En effet, si la résistance réelle est inférieure à la résistance calculée, le ventilateur débitera nettement plus que prévu et sa consommation sera supérieure aux prévisions. De plus, pour ces ventilateurs, une brusque diminution des pertes de charge va augmenter rapidement la puissance sur l'arbre. Le moteur s'en trouvera surchargé et grillera.

Le rendement de la roue avec pales vers l'avant est en général moins bon si bien que la puissance à  l'arbre est supérieure. Pour ce type de roue, la puissance absorbée augmente rapidement avec le débit. A l'inverse, elle varie relativement peu pour les pales inclinées vers l'arrière.

Pour une même pression (1000 PA) :

A l'inverse des roues inclinées vers l'arrière, la roue avec aubes vers l'avant ne demande pratiquement pas de variation de vitesse pour obtenir une augmentation importante de débit.

Comparaison de deux ventilateurs choisis pour fonctionner à leur rendement maximum

Par contre, si au stade du projet on peut choisir entre les deux types de roues, il faut effectuer la comparaison pour le meilleur rendement. Dans ce cas, le ventilateur à aubes recourbées vers l'arrière devra le plus souvent être d'une ou deux tailles plus grandes que l'autre. Si on les compare pour même un point de fonctionnement, le ventilateur de deux tailles plus grand (évidemment aussi un peu plus cher) présente de gros avantages : il absorbera une puissance nettement moindre; tournant dans ce cas à plus faible vitesse, il devient moins bruyant que son homologue à aubes vers l'avant.

Domaines d'application

Aubes droites	Industrie textile, maritime, ...
Aubes inclinées vers avant	Groupes de conditionnement d'air et là où le prix et l'encombrement sont primordiaux.
Aubes inclinées vers l'arrière	Applications industrielles où de grandes pressions statiques sont nécessaires. Partout où rendement, qualité, économie et énergie sont primordiaux. Partout où un débit fixe doit être maintenu coûte que coûte (salles blanches avec flux laminaire, ...).

Les ventilateurs tangentiels

Il existe deux types de ventilateurs tangentiels :

Avec aubes directrices dans l'âme.	Sans aubes, mais avec une enveloppe spécialement formée.

Le principal défaut de ce type de ventilateur est son mauvais rendement qui ne dépasse pas 60 %. Il est malgré tout typiquement utilisé dans les appareils où la place disponible est très limitée tels que :

• ventilo-convecteurs,
• climatiseurs,
• rideaux d'air.

Les extracteurs de toiture

Les extracteurs de toiture sont conçus  pour s'adapter facilement sur le couronnement des conduits. Ils sont destinés à l'extraction de l'air vicié, soit directement, soit via un conduit vertical. On parle généralement de "tourelle d'extraction". Ces tourelles peuvent être équipées d'une roue centrifuge ou hélicoïde et présentent donc les mêmes caractéristiques que ces deux grandes familles.

Extracteur de toiture : caisson fermé et ouvert.

Les critères de qualité d'un tel ventilateur sont :

• la qualité du refoulement qui empêche toute retombée d'air vicié et de recyclage vers le bâtiment,
• la résistance aux intempéries (étanchéité à la pluie),
• le niveau de bruit, tant vers l'extérieur que vers l'intérieur,
• le rendement.

Le rejet de l'air vicié dans l'atmosphère se fait de deux manières :

• soit horizontalement,
• soit verticalement.

Au niveau du bruit, le rejet vertical est toujours préférable au rejet horizontal car les ondes sonores sont plus facilement dispersées dans l'atmosphère.

Extracteurs de toiture .