Pourquoi la Forme de la Gaine Importe
Dimensionnement des Gaines : Surface, Périmètre et Frottement
Chaque gaine CVC est un tube qui transporte l'air conditionné du climatiseur vers les pièces qu'il dessert. La capacité de flux d'air d'une gaine dépend d'une seule chose : la surface de section transversale.
CFM = Surface × Vitesse : c'est l'équation fondamentale. CFM est en pieds cubes par minute. Surface est la section transversale de la gaine en pieds carrés. La vitesse est la vitesse de l'air en pieds par minute.
Mais la surface n'est pas toute l'histoire. Le périmètre de la gaine détermine la surface contre laquelle l'air frotte. Plus de périmètre signifie plus de frottement, ce qui signifie une plus grande chute de pression, ce qui signifie que le ventilateur doit travailler davantage.
Une gaine ronde de 12 pouces a une surface de section transversale de π × 6² = 113,1 pouces carrés. Son périmètre est π × 12 = 37,7 pouces.
Une gaine rectangulaire de 14" × 8" a une surface de 14 × 8 = 112 pouces carrés : presque identique. Mais son périmètre est 2(14 + 8) = 44 pouces : 17 % plus de surface de frottement pour la même capacité de débit d'air.
Cela explique pourquoi les gaines rondes sont plus efficaces. Le cercle a le ratio périmètre/surface le plus bas de toute forme. En termes CVC : les gaines rondes produisent moins de perte de frottement par CFM livré.
Calcul de la Surface de la Gaine
Un système CVC résidentiel doit fournir 400 CFM à une chambre. La vitesse de conception est de 600 pieds par minute.
Comment l'Air se Déplace dans une Pièce
Comment l'Air se Déplace dans une Pièce
Une fois que l'air conditionné quitte la gaine, il entre dans la pièce par un registre ou un diffuseur. La géométrie de la façon dont cet air se déplace détermine si la pièce est confortable ou si elle a des zones chaudes et froides.
La portée est la distance que l'air parcourt depuis le diffuseur avant que sa vitesse chute en dessous de 50 FPM (pieds par minute). Un diffuseur de plafond dans une pièce de 20 pieds a besoin d'une portée suffisante pour atteindre le mur opposé.
La propagation est la largeur du motif d'air. Un diffuseur à fente linéaire crée un motif plat et large. Un diffuseur de plafond rond crée un motif radial.
Les registres de soufflage créent des motifs d'air coniques ou en forme d'éventail : l'air se pousse vers l'extérieur dans une forme géométrique définie.
Les registres de reprise créent des zones de succion sphériques : l'air est aspiré de toutes les directions de manière égale. C'est pourquoi les registres de reprise peuvent être placés presque n'importe où dans une pièce.
L'effet Coanda : L'air en mouvement tend à suivre les surfaces voisines. L'air soufflé sur un plafond y adhère, voyageant beaucoup plus loin que l'air soufflé dans l'espace ouvert. C'est pourquoi les diffuseurs montés au plafond fonctionnent si bien : l'air épouse le plafond, traverse la pièce, puis descend le mur opposé. La géométrie du plafond devient partie du système de distribution d'air.
Compréhension de la Distribution d'Air
Une salle de conférence mesure 30 pieds de long avec un diffuseur montée au plafond à une extrémité. L'air de soufflage sort du diffuseur à 700 FPM.
Ailettes, Tubes et Surface
Le Transfert de Chaleur est un Problème de Surface
Le serpentin d'évaporation dans un climatiseur ou une pompe à chaleur est l'endroit où la chaleur se transfère réellement entre l'air et le réfrigérant. Le taux de transfert de chaleur dépend de trois choses : la différence de température, la conductivité thermique du matériau et la surface.
Vous ne pouvez pas facilement changer la différence de température (elle est définie par le cycle du réfrigérant) ou la conductivité (le cuivre et l'aluminium sont déjà d'excellents conducteurs). Les ingénieurs CVC maximisent donc la surface.
Un serpentin d'évaporation est composé de tubes en cuivre avec de fines ailettes en aluminium appuyées dessus. Les ailettes sont de fines feuilles : généralement 0,006 pouces d'épaisseur : espacées de 8 à 20 ailettes par pouce.
Plus d'ailettes par pouce = plus de surface = plus de transfert de chaleur. Mais il existe un compromis géométrique : plus d'ailettes signifie aussi des passages d'air plus étroits entre elles, ce qui augmente la résistance à l'air et réduit le débit d'air.
À 8 ailettes par pouce, le débit d'air est facile mais la surface est limitée. À 20 ailettes par pouce, la surface est énorme mais le serpentin étrangle le débit d'air. La plupart des systèmes résidentiels utilisent 12-14 ailettes par pouce comme compromis optimal.
C'est un problème géométrique pur : comment emballez-vous la surface maximale dans un volume donné tout en maintenant une section transversale suffisante ouverte pour que l'air puisse passer ?
Compromis de la Surface
Un serpentin d'évaporation résidentiel a des ailettes espacées à 14 ailettes par pouce. Chaque ailette mesure 0,006 pouces d'épaisseur. La face du serpentin mesure 20 pouces de large et 18 pouces de haut.
Les Propriétés de l'Air comme Géométrie
Le Diagramme Psychrométrique : une Carte Géométrique de l'Air
Le diagramme psychrométrique est l'un des outils les plus importants du CVC. Il semble compliqué, mais c'est vraiment juste une représentation géométrique des propriétés de l'air.
Axe X : Température de bulbe sec : ce qu'un thermomètre ordinaire lit.
Axe Y (côté droit) : Ratio d'humidité : la masse réelle de vapeur d'eau par masse d'air sec (grains d'humidité par livre d'air sec).
Lignes courbes : Humidité relative. La courbe RH 100 % est la ligne de saturation : l'air ne peut pas contenir plus d'humidité au-delà de cette courbe. Les courbes RH inférieures s'arcent en dessous.
Chaque point sur le diagramme représente un état d'air unique. Si vous connaissez deux propriétés quelconques (température de bulbe sec, température de bulbe humide, humidité relative, point de rosée, enthalpie), vous pouvez localiser le point exact et lire toutes les autres propriétés.
Les processus CVC sont des chemins géométriques sur ce diagramme :
- Chauffage sensible (fournaise) : Déplacez-vous vers la droite le long d'une ligne horizontale : la température augmente, le ratio d'humidité reste constant.
- Refroidissement sensible (au-dessus du point de rosée) : Déplacez-vous vers la gauche le long d'une ligne horizontale.
- Refroidissement et déshumidification (A/C typique) : Déplacez-vous vers la gauche ET vers le bas : la température chute et l'humidité se condense.
- Humidification : Déplacez-vous vers le haut : ajouter de l'humidité à température constante.
- Refroidissement par évaporation (refroidisseur d'évaporation) : Déplacez-vous vers la gauche et vers le haut le long d'une ligne de bulbe humide constant : la température chute mais l'humidité augmente.
Traçage des Processus CVC
Considérez une journée d'été : l'air extérieur est à 95 degrés F de bulbe sec, 50 % d'humidité relative. Vous voulez conditionner cet air à 75 degrés F, 50 % d'humidité relative pour le confort intérieur.