Mesure de la vitesse de l'air
Présentation Dans le domaine de la climatisation, du chauffage et de la ventilation, il est utile de comprendre les techniques utilisées pour déterminer la vitesse de l'air. Dans ce domaine, la vitesse de l'air (distance parcourue par unité de temps) est généralement exprimée en pieds par minute (FPM). En multipliant la vitesse de l'air par la section transversale d'un conduit, vous pouvez déterminer le volume d'air qui passe par un point du conduit par unité de temps. Le débit volumique est généralement mesuré en pieds cubes par minute (CFM).
Les mesures de vitesse ou de volume peuvent souvent être utilisées avec un manuel d'ingénierie ou des informations de conception pour révéler les performances adéquates ou inadéquates d'un système de circulation d'air. Les mêmes principes utilisés pour déterminer la vitesse sont également utiles dans le domaine du transport pneumatique, du flux de gaz de combustion et des systèmes de gaz de procédé. Cependant, dans ces domaines, les unités courantes de vitesse et de volume sont parfois différentes de celles utilisées dans le domaine de la climatisation.
Pour déplacer l'air, on utilise généralement des ventilateurs ou des soufflantes. Ils fonctionnent en transmettant un mouvement et une pression à l'air à l'aide d'une hélice à vis ou d'une Roue à aube. Lors de la déplacement de l'air, celui-ci acquiert une composante de force ou de pression dans sa direction ou son mouvement en raison de son poids et de son inertie. De ce fait, un drapeau ou une banderole se détache dans le flux d'air. Cette force est appelée « pression dynamique ». Elle est mesurée en pouces de colonne d'eau (w.c.) ou en pouces de mercure (w.g.). Dans les systèmes de conduits en fonctionnement, une deuxième pression est toujours présente. Elle est indépendante de la vitesse ou du mouvement de l'air. Connue sous le nom de « pression statique », elle agit de manière égale dans toutes les directions. Dans le domaine de la climatisation, cette pression est également mesurée en pouces w.c. Dans les systèmes de pression ou d'alimentation, la pression statique sera positive du côté refoulement du ventilateur. Dans les systèmes d'évacuation, une pression statique négative sortira du côté admission du ventilateur. Lorsqu'un ventilateur est installé à mi-chemin entre l'admission et le refoulement d'un système de conduits, il est normal d'avoir une pression statique négative à l'entrée du ventilateur et une pression statique positive à sa sortie. velocity pressure. It is measured in inches of water column (w.c.) or water gage (w.g.). In operating duct systems, a second pressure is always present. It s independent of air velocity or movement. Known as static pressure, it act equally in all directions. In air conditioning work, this pressure is also measured in inches w.c.
In pressure or supply systems, static pressure will be positive on the discharge side of the fan. In exhaust systems, a negative static pressure will exit on the inlet side of the fan. When a fan is installed midway between the inlet and discharge of a duct system, it is normal to have a negative static pressure at the fan inlet and positive static pressure at its discharge.
La pression totale est la combinaison des pressions statique et dynamique, et est exprimée dans les mêmes unités. C'est un concept important et utile pour nous car il est facile à déterminer et, bien que la pression dynamique ne soit pas facile à mesurer directement, elle peut être déterminée facilement en soustrayant la pression statique de la pression totale. Cette soustraction n'a pas besoin d'être effectuée mathématiquement. Elle peut être effectuée automatiquement grâce au raccordement de l'instrument.
Détection de la pression statique
Pour la plupart des applications industrielles et scientifiques, les seules mesures de l'air nécessaires sont celles de la pression statique, de la pression totale et de la température. À partir de ces mesures, la vitesse et le volume de l'air peuvent être rapidement calculés.
Pour détecter la pression statique, cinq types de dispositifs sont couramment utilisés. Ceux-ci sont connectés par des tuyaux à un instrument indicateur de pression. La figure 1-A montre un simple robinet de pression statique traversant la paroi. Il s'agit d'une ouverture nette et sans bavures pratiquée dans la paroi d'un conduit et munie d'une connexion de tuyau à l'extérieur. L'axe du robinet ou de l'ouverture doit être perpendiculaire à la direction du flux. Ce type de robinet ou de capteur est utilisé lorsque le flux d'air est relativement lent, régulier et sans turbulence. En cas de turbulence, l'impact, l'aspiration ou la distribution inégale de l'air en mouvement au niveau de l'ouverture peuvent réduire considérablement la précision des mesures.
Fig. 1-B shows the Dwyer No. A-308 Static Pressure Fitting. Designed for simplified installation, it is easy to install, inexpensive, and provides accurate static pressure sensing in smooth air at velocities up to 1500 FPM.
La figure 1-B montre le raccord de pression statique Dwyer n° A-308. Conçu pour une installation simplifiée, il est facile à installer, peu coûteux et fournit une détection précise de la pression statique dans un air calme à des vitesses allant jusqu'à 1500 FPM.
La figure 1-C montre un simple tube traversant le mur. Les limites de ce type sont similaires à celles du type de mur 1-A.
La figure 1-D montre une pointe de pression statique qui est idéale pour des applications telles que la détection de la pression statique à travers les filtres à air industriels et les serpentins réfrigérants. Ici, la probabilité de turbulence de l'air exige que les ouvertures de détection de pression soient situées loin des parois du conduit afin de minimiser les chocs et l'aspiration et d'assurer ainsi des lectures précises. Pour une installation permanente de ce type, on utilise l'embout de pression statique Dwyer n° A-301 ou A-302. Il détecte la pression statique à travers des trous percés radialement près de l'embout et peut être utilisé à des vitesses d'écoulement d'air allant jusqu'à 12 000 FPM.La figure 1-E montre une pointe de pression statique à faible résistance Dwyer n° A-305. Elle est conçue pour être utilisée dans de l'air chargé de poussière et pour des applications à réponse rapide. Elle est recommandée lorsqu'une pression d'actionnement très faible est requise pour un pressostat ou un manomètre indicateur, ou lorsque le temps de réponse est critique.
Mesure de la pression totale et de la pression de vitesse
Lors de la détection de la pression statique, nous mettons tout en œuvre pour éliminer l'effet du mouvement de l'air. Pour déterminer la pression dynamique, il est nécessaire de déterminer ces effets de manière complète et précise. Cela se fait généralement à l'aide d'un tube à impact qui fait face directement au flux d'air. Ce type de capteur est souvent appelé « capteur de pression totale » car il reçoit les effets à la fois de la pression statique et de la pression dynamique.
Dans la figure 2, notez que des connexions statiques séparées (A) et des connexions de pression totale (B) peuvent être connectées simultanément à un manomètre (C). Comme la pression statique est appliquée des deux côtés du manomètre, son effet est annulé et le manomètre n'indique que la pression dynamique.
Pour convertir la pression dynamique en vitesse réelle, il faut soit effectuer un calcul mathématique, soit se référer à des graphiques ou des courbes, soit effectuer un étalonnage préalable du manomètre pour qu'il indique directement la vitesse. En pratique, ce type de mesure est généralement effectué à l'aide d'un tube de Pitot qui intègre à la fois des capteurs de pression statique et de pression totale dans un seul appareil.
Essentiellement, un tube de Pitot se compose d'un tube d'impact (qui reçoit la pression totale) fixé de manière concentrique à l'intérieur d'un second tube de diamètre légèrement supérieur qui reçoit la pression statique provenant des trous de détection radiaux situés autour de l'extrémité. L'espace d'air entre les tubes intérieur et extérieur permet le transfert de la pression depuis les trous de détection vers le raccord de pression statique à l'extrémité opposée du tube de Pitot, puis, via un tube de raccordement, vers le côté basse pression ou pression négative d'un manomètre. Lorsqu'il est connecté au côté haute pression du manomètre, le tube de pression totale indique directement la pression dynamique. Voir la figure 3.
Le tube de Pitot étant un dispositif étalon primaire utilisé pour étalonner tous les autres dispositifs de mesure de la vitesse de l'air, il est important d'apporter un soin particulier à sa conception et à sa fabrication. Dans les tubes de Pitot modernes, une conception appropriée du nez ou de l'embout, ainsi qu'une distance suffisante entre le nez, les prises de pression statique et la tige, permettent de minimiser les turbulences et les interférences. Cela permet une utilisation sans facteurs de correction ou d'étalonnage. Tous les tubes de Pitot Dwyer sont construits selon les normes AMCA et ASHRAE et ont des facteurs d'étalonnage unitaires pour garantir leur précision.
Pour garantir des lectures précises de la vitesse de la pression, l'embout du tube de Pitot doit être dirigé directement vers le flux d'air (parallèlement à celui-ci). Comme l'extrémité du tube de Pitot est parallèle au tube de sortie de pression statique, ce dernier peut être utilisé comme pointeur pour aligner correctement l'extrémité. Lorsqu'il est correctement aligné, le tube de Pitot fournira une indication de pression maximale.
Comme il est impossible d'obtenir des mesures précises dans un flux d'air turbulent, le tube de Pitot doit être inséré à au moins 8,5 diamètres de conduit en aval des coudes, des courbes ou d'autres obstacles qui provoquent des turbulences. Pour garantir la plus grande précision, des ailettes de redressement doivent être placées à 5 diamètres de conduit en amont du tube de Pitot.
Comment prendre des mesures transversales
Dans la pratique, la vitesse du flux d'air n'est pas uniforme sur toute la section transversale d'un conduit. Le frottement ralentit l'air qui circule près des parois, de sorte que la vitesse est plus élevée au centre du conduit.
Pour obtenir la vitesse totale moyenne dans des conduits de 4 pouces de diamètre ou plus, une série de mesures de pression dynamique doit être effectuée en des points de surface égale. Il est recommandé d'utiliser un schéma formel de points de mesure sur toute la section transversale du conduit. Ces mesures sont appelées mesures transversales. La figure 4 montre les emplacements recommandés pour les tubes de Pitot dans les conduits ronds et rectangulaires. Dans les conduits ronds, les mesures de pression dynamique doivent être prises au centre de zones concentriques de même surface. Au moins 20 mesures doivent être prises le long de deux diamètres. Dans les conduits rectangulaires, un minimum de 16 et un maximum de 64 mesures sont prises au centre de zones rectangulaires de même surface. Les vitesses réelles pour chaque zone sont calculées à partir des lectures individuelles de la pression dynamique. Cela permet de vérifier les lectures et les vitesses afin de détecter d'éventuelles erreurs ou incohérences. Les vitesses sont ensuite moyennées. En prenant les lectures du tube de Pitot avec le plus grand soin, la vitesse de l'air peut être déterminée avec une précision de ± 2 %. Pour une précision maximale, les précautions suivantes doivent être observées :
In round ducts, velocity pressure readings should be taken at centers of equal concentric areas. At least 20 readings should be taken along two diameters. In rectangular ducts, a minimum of 16 and a maximum of 64 readings are taken at centers of equal rectangular areas. Actual velocities for each area are calculated from individual velocity pressure readings. This allow the readings and velocities to be inspected for errors or inconsistencies. The velocities are then averaged.
By taking Pitot tube readings with extreme care, air velocity can be determined within an accuracy of ±2%. For maximum accuracy, the following precautions should be observed:
- Le diamètre du conduit doit être au moins 30 fois supérieur au diamètre du tube de Pitot.
- Placez la section du tube de Pitot de manière à ce qu'elle soit située à 8,5 diamètres ou plus en amont et à 1,5 diamètre ou plus en aval du tube de Pitot, sans coudes, changements de taille ou obstructions.
- Prévoir un redresseur de débit de type « egg-crate » à 5 diamètres de conduit en amont du tube de Pitot.
- Effectuer une traversée complète et précise.
Dans les petits conduits ou lorsque les opérations de traversée sont impossibles, une précision de ±5 % peut souvent être obtenue en plaçant le tube de Pitot au centre du conduit. Déterminez la vitesse à partir de la lecture, puis multipliez par 0,9 pour obtenir une moyenne approximative.
Calcul de la vitesse de l'air à partir de la pression dynamique
Les manomètres à utiliser avec un tube de Pitot sont disponibles en deux types d'échelle. Certains sont spécialement conçus pour mesurer la vitesse de l'air et sont calibrés directement en pieds par minute. Ils sont corrects pour des conditions atmosphériques standard, c'est-à-dire une densité de l'air de 0,075 lb par pied cube, ce qui correspond à de l'air sec à 70 °F et une pression barométrique de 29,92 pouces Hg. Pour corriger la lecture de la vitesse dans des conditions atmosphériques autres que standard, il faut connaître la densité réelle de l'air. Elle peut être calculée si l'humidité relative, la température et la pression barométrique sont connues.La plupart des échelles des manomètres sont calibrées en pouces d'eau. À partir des mesures fournies par un tel instrument, la vitesse de l'air peut être calculée à l'aide de la formule de base suivante :
Most manometer scales are calibrated in inches of water. Using readings from such an instrument, the air velocity may be calculated using the basic formula:
Avec de l'air sec à 29,9 pouces de mercure, la vitesse de l'air peut être lue directement à partir des graphiques de vitesse de l'air. Pour l'air partiellement ou totalement saturé, une correction supplémentaire est obligatoire. Pour gagner du temps lors de la conversion de la pression dynamique en vitesse de l'air, vous pouvez utiliser le calculateur de vitesse de l'air Dwyer. Il s'agit d'une simple règle à calcul qui fournit tous les facteurs nécessaires pour calculer rapidement et précisément la vitesse de l'air. Il est fourni en tant qu'accessoire avec chaque tube de Pitot Dwyer.
Pour utiliser le calculateur Dwyer :
- Réglez l'humidité relative sur l'échelle fournie. Sur l'échelle opposée à la température connue du bulbe sec, lisez le facteur de correction.
- Réglez la température sous l'échelle de pression barométrique. Lisez la densité de l'air au-dessus du facteur de correction établi au point n° 1.
- De l'autre côté de la calculatrice, réglez la densité de l'air que vous venez d'obtenir sur l'échelle fournie.
- Sous la lecture du tube de Pitot (pression de vitesse, pouces d'eau), lisez la vitesse de l'air, en pieds par minute.
Détermination du débit volumique
Une fois la vitesse moyenne de l'air connue, le débit d'air en pieds cubes par minute est facilement calculé à l'aide de la formule suivante :
Q = AV
Où : Q = Quantité de débit en pieds cubes par minute.
A = Section transversale du conduit en pieds carrés.
V = Vitesse moyenne en pieds par minute.
Détermination du volume d'air par résistance calibrée
Les fabricants de filtres à air, de serpentins de refroidissement et de condensation et d'équipements similaires publient souvent des données à partir desquelles il est possible de déterminer le débit d'air approximatif. Ces équipements ont pour caractéristique de provoquer une chute de pression qui varie proportionnellement au carré du débit. La figure 5 montre un filtre type et une courbe représentant le débit d'air en fonction de la résistance. Comme elle est tracée sur du papier logarithmique, elle apparaît sous forme de ligne droite. Sur cette courbe, un filtre propre qui provoque une chute de pression de 0,50 pouce de colonne d'eau indiquerait un débit de 2 000 CFM.
Par exemple, en supposant les spécifications techniques du fabricant pour un filtre, un serpentin, etc. :
Autres appareils de mesure de la vitesse de l'air
Il existe dans le commerce une grande variété d'appareils permettant de mesurer la vitesse de l'air. Il s'agit notamment des anémomètres à fil chaud pour les faibles vitesses de l'air, des anémomètres à hélice et à girouette et des débitmètres à section variable.
Le débitmètre d'air Dwyer modèle 460 est l'un des anémomètres à débitmètre à section variable les plus populaires et les plus économiques. Rapide et facile à utiliser, cet instrument portable est calibré pour fournir une lecture directe de la vitesse de l'air. Une deuxième échelle est fournie de l'autre côté du compteur pour lire la pression statique en pouces w.c. Le compteur d'air 460 est largement utilisé pour déterminer la vitesse et le débit de l'air dans les conduits, ainsi qu'à partir des grilles et diffuseurs d'alimentation et de retour. Deux échelles (haute et basse) sont fournies, avec des étalonnages en FPM et en pouces w.c.
Pour vérifier la précision
Utilisez uniquement des appareils dont la précision est certifiée. Tous les anémomètres et (dans une moindre mesure) les manomètres portables doivent être vérifiés régulièrement par rapport à une norme primaire telle qu'un calibre à crochet ou un micromanomètre de haute qualité. Si vous avez des doutes quant à la précision de vos produits, veuillez les renvoyer à l'usine Dwyer Instruments pour un contrôle complet de l'étalonnage.
