Estudo sobre Ventiladores e Máquinas de Fluídos

1 Tema 10 Ventiladores Máquinas de Fluídos 2 Ventiladores O que é um ventilador v Qualquer dispositivo que produz uma corrente de ar ou de um gás através do movimento de superfícies giratórias pás pode ser chamado de ventilador v Ventiladores se enquadram em um classificação de turbomáquinas possuindo um impelidor ou pás rotativas no mínimo parcialmente enclausurado em uma carcaça estacionária v Os ventiladores são similares em muitos sentidos às bombas Ambos são turbomáquinas que transferem energia ao fluido em escoamento v Em geral a função de um ventilador é impulsionar deslocar ou mover ar ou gases Máquinas de Fluídos 3 Ventiladores Ventiladores sopradores e compressores São diferenciados pelo método utilizado para movimentar o fluido e principalmente pela pressão do sistema contra a qual devem operar conforme mostrado na Tab 1 Nessa tabela specific ratio SR ou relação de pressão é a relação entre a pressão de descarga e a pressão de sucção conforme a Eq 1 Máquinas de Fluídos s d P SR P 1 Tabela 1 Limites de pressão para a separação entre ventiladores sopradores e compressores 4 Ventiladores Ventiladores sopradores e compressores A diferença entre ventiladores e compressores reside na variação entre a massa específica A linha divisória entre um e outro corresponde a um aumento de aproximadamente 7 na massa específica do gás comprimido o que representa uma relação de compressão de cerca de 12 A Teoria de Euler analisada anteriormente se aplica também aos ventiladores Máquinas de Fluídos 5 Ventiladores Ventiladores sopradores e compressores Aplicações de ventiladores e ou sopradores na indústria ou para fins residenciais ou comerciais são inúmeras e algumas delas estão listadas a seguir Máquinas de Fluídos v Fornecimento de ar em processos de combustão v Remoção de poeira e outros contaminantes v Transporte pneumático v Secagem v Processos de resfriamento industrial v Ventilação em sistemas de condicionamento de ar etc 6 Ventiladores Componentes de um sistema de ventilação ou de sopradores Máquinas de Fluídos Fig 1 Componentes básicos de uma instalação de ventilação 7 Ventiladores Tipos de ventiladores Ventiladores são classificados de acordo com a direção do escoamento através do impelidor v Axial o ar escoa paralelo ao impelidor e o incremento da pressão é devido basicamente à ação direta das pás v Centrífugo ar entra no impelidor paralelo ao eixo girando em torno de 90 e é descarregado radialmente através das pás A força da pá que age sobre o fluido é tangencial fazendo com que o ar gire com as pás e a pressão principal é atribuída a essa força centrífuga v Misto o ar entra paralelo ao eixo do ventilador girando em um ângulo de 30 a 80 O aumento da pressão é feito parcialmente pelo ação direta da pá e parcialmente pela ação da força centrífuga Máquinas de Fluídos 8 Ventiladores Partes de um ventilador centrífugo Máquinas de Fluídos Fig 2 Vista explodida de um ventilador centrífugo 9 Ventiladores Partes de um ventilador axial Máquinas de Fluídos Fig 3 Vista explodida de um ventilador axial 10 Ventiladores Ventiladores centrífugos v As pás do impelidor aumentam a velocidade do ar v A velocidade é convertida em pressão v Altas pressões para condições de aplicações adversas v Altas temperaturas v Correntes de ar úmido ou contaminado v Escoamento de material particulado v Classificação pelo formato das pás v Radiais pás com saídas retas ou 90 v Pás curvadas para trás v Pás curvadas para frente Máquinas de Fluídos 11 Ventiladores Ventiladores centrífugos Máquinas de Fluídos Fig 5 Inclinação das pás utilizadas em ventiladores centrífugos e rendimentos esperados para cada uma delas Fig 4 Exemplo de ventilador centrífugo 12 Ventiladores Máquinas de Fluídos Fig 6 Tipos de impelidores em ventiladores centrífugos 13 Ventiladores Máquinas de Fluídos Fig 8 Aplicações de ventiladores centrífugos v Sistemas de exaustão v Injeção de ar para processos de combustão v Ventilação em geral etc Aplicações de ventiladores centrífugos 14 Ventiladores Ventiladores centrífugos Máquinas de Fluídos Tabela 2 Características e aplicações dos ventiladores centrífugos Tipo Características Aplicações típicas Radial Alta pressão médias vazões rendimento próximo aos axiais de tubo potência continuamente crescente Diversas aplicações industriais adequado para poeira pesada gasesar úmido Pás curvadas para frente Média pressão alta vazão queda brusca na curva de pressão rendimento maior que os radiais potência continuamente crescente Sistemas HVAC de baixa pressão unidades compactas ar gases limpos e com poeira Pás curvadas para trás Alta pressão alta vazão elevado rendimento potência decrescente com o aumento da vazão além do BEP HVAC aplicações industriais diversas ventiladores para tiragem forçada Aerofólio Mesmas que os de pás curvadas para trás máximo rendimento de todos os ventiladores Mesmas que para os ventiladores de pás curvadas para trás Ar limpo 15 Ventiladores Tipos de pás v As pás do impelidor são fabricadas em dois tipos planas com espessura constante ou tipo aerofólio v Pás do tipo aerofólio apresentam rendimentos elevados até 90 quando comparados com pás de espessura constante O rendimento se mantém próximo a esse valor para outras condições operacionais e principalmente apresentam baixo ruído v No entanto com projetos otimizados de curvatura das pás entrada olho do impelidor e placas laterais podem ser obtidos rendimentos similares com impelidores de pás planas v Pás tipo aerofólio são usadas quando as pás sofrem elevado estresse necessitando de reforço extra Máquinas de Fluídos Figura 9 Tipos de pás 16 Ventiladores Tipo aerofólio v Desenho de ventilador mais eficiente mas ao mesmo tempo o mais caro v Impelidor com 10 a 16 pás com contorno de aerofólio curvadas para trás v Para uma dada faixa de aplicação estes ventiladores operam com velocidades elevadas v Caixa em espiral para alojamento do impelidor v Apresentam rendimento da ordem de 90 v Instalações de aquecimento ventilação e arcondicionado comercial e aplicações industriais de purificação de ar onde a economia de energia pode ser significativa Máquinas de Fluídos Figura 10 Impelidor com pás tipo aerofólio 17 Ventiladores Tipo aerofólio Máquinas de Fluídos Figura 11 Curvas características de um ventilador com pás tipo aerofólio Legenda sp pressão estática hp potência se rendimento estático 18 Ventiladores Pás curvadas para trás v Impelidores com 10 a 16 pás com espessura uniforme inclinadas ou curvadas para a direção contrária à da rotação v Caixa em espiral para alojamento do impelidor v Rendimento levemente inferior ao do tipo aerofólio na ordem de 80 Máquinas de Fluídos 19 Ventiladores Pás curvadas para trás Máquinas de Fluídos Figura 12 Curvas características de um ventilador com pás curvadas para trás Os ventiladores com pás curvadas para trás também são chamados de Limit Load uma vez que a curva de potência apresenta um pico de máximo 20 Ventiladores Pás retas v Ventiladores com 6 a 10 pás com elevada resistência mecânica v As pás podem ser completamente retas ou com uma leve curvatura na entrada v Operam com relações moderadas de velocidade v É o tipo de ventilador de menor rendimento v Usados em sistemas industriais em meios corrosivos ou erosivos tais como transporte de material remoção de particulados sólidos ou onde pressão estática elevada é requerida Máquinas de Fluídos 21 Ventiladores Pás retas na saída Máquinas de Fluídos Figura 13 Curvas características de um ventilador com pás retas na saída Euler 22 Ventiladores Pás curvadas para frente v Impelidores com 24 a 64 pás fabricados com material leve v O gásar deixa a pá com velocidade superior a da raiz da pá transferindo primeiramente energia cinética ao gás v Trabalham em baixas rotações e tamanho reduzido v Caixa em espiral com tolerâncias entre o cone de entrada e o impelidor menos crítica v Possuem rendimento na ordem de 70 v Sistemas HVAC comercial e residencial pressões baixas para médias e baixo volume de ar Máquinas de Fluídos 23 Ventiladores Pás curvadas para frente Máquinas de Fluídos Figura 14 Curvas características de um ventilador com pás curvadas para frente Euler 24 Ventiladores Resumo das posições das pás Máquinas de Fluídos Figura 15 Tipos de pás Impelidor de dupla entrada e dupla largura Entrada única largura única impelidor com seis pás radiais soldadas na placa traseira Entrada única largura única sirocco 25 Ventiladores Ventiladores axiais Estes ventiladores são divididos em três sub classificações de acordo com o tipo de impelidor v Propeler v Tubo axial ou dutado v Pás axiais Máquinas de Fluídos 26 Ventiladores Ventiladores axiais Máquinas de Fluídos Fig 16 Tipos de ventiladores axiais Ventilador axial dutado Ventilador axiais com palheta Ventilador propeler Menos eficiente elevadas vazões e baixas pressões Pressão até 500 mmca rendimento energético eficiente Maiores velocidades que os ventiladores do tipo propeler pressões entre 250 a 400 mmca e rendimentos até 65 27 Ventiladores Ventiladores axiais Máquinas de Fluídos Fig 17 Tipos de ventiladores axiais v Aparelhos montados em paredes para ventilação ou exaustão v Montagem em teto v Lavadores de ar v Exaustão de fumaça v Ventiladores de CPUs 28 Ventiladores Ventilador tipo propeler Máquinas de Fluídos Fig 18 Curvas características dos ventiladores tipo propeler 29 Ventiladores Ventilador axial dutado Máquinas de Fluídos Fig 19 Curvas características dos ventiladores axiais dutados 30 Ventiladores Ventilador axial bifurcado Máquinas de Fluídos Fig 21 Curvas características dos ventiladores bifurcados Desvio do fluxo de gases do motor de acionamento por questões de temperatura da corrente dos gases ou por contaminação corrosivo etc 31 Ventiladores Ventiladores axiais Máquinas de Fluídos Tabela 3 Características e aplicações de ventiladores axiais Tipo Características Aplicações típicas Propeler Baixa pressão alta vazão baixo rendimento BEP próximo ao ponto de descarga livre pressão estática zero Apresentam grande variação da vazão como pequenas variações da pressão estática Circulação de ar ventilação exaustão de gases quentes ou corrosivos fundições soldagem fornos laboratórios lavanderias etc condensadores a ar torres de arrefecimento Axial dutado Maior velocidade de rotação que o Propeler média pressão 250 a 400 mmca alta vazão melhor rendimento que o propeler Sistemas HVAC fornos de secagem sistemas de exaustão etc Axial com pás guias Alta pressão média vazão curva ΔP vs Q com queda brusca pás guias aumentam a eficiência na exaustão HVAC aplicações de alta pressão em geral remoção de calor fumos e fumaças processos de secagem etc 32 Ventiladores Comparação entre ventiladores e axiais e os centrífugos Máquinas de Fluídos Considerando a mesma condição de vazão e potência v O axial possui um impelidor com diâmetro menor v Apresenta maior pressão dinâmica v Opera em rotações maiores v A velocidade periférica saída das pás é maior v Menor rendimento e como consequência maior consumo de energia v Maior ruído v Mas muito menor mais leve e mais barato 33 Acionamento Máquinas de Fluídos Poliacorreia ou acionamento direto Correia v Flexibilidade nas velocidades de operação v Ventiladores grandes podem operar em baixas rotações enquanto que o motor é operado em rotações altas resultando em uma operação econômica Acionamento direto v Menor número de componentes resultando em menores custos v Verificações constantes para ajuste da correia são desnecessárias v Ausência de escorregamento melhorando o rendimento do ventilador Acionamento por poliacorreia Acionamento direto 34 Surge Sopradores Sopradores são ventiladores que operam em uma pressão superior aos ventiladores usuais descritos anteriormente e abaixo dos compressores isso é pressões entre 35 kPa até 70 kPa as vezes superiores a essas pressões Operam em altas rotações aproximadamente 15000 rpm São muito utilizados para alimentação de ar em queimadores caldeiras etc Máquinas de Fluídos Fig 22 Sopradores de ar ou gases 35 Surge Surge O escoamento através de um sistema e de seu ventilador é normalmente estacionário Se as flutuações ocasionadas por qualquer distúrbio temporário são rapidamente amortecidas o sistema pode ser descrito como tendo característica de operação estável Do contrário se o escoamento instável continua após a remoção do distúrbio a operação é dita instável Para assegurar que a operação seja estável as inclinações das curvas do ventilador e do sistema deverão ter sinais opostos A maioria dos sistemas apresentam inclinação positiva isto é a pressão demandada ou a resistência aumentam com o aumento da vazão Assim a inclinação da curva do ventilador deve ser negativa Máquinas de Fluídos 36 Surge Região de estabilidade Máquinas de Fluídos Fig 23 Para condições de operação estável as inclinações das curvas deverão ser opostas Nessa condição qualquer distúrbio temporário tendendo a reduzir a vazão será anulado pelo aumento da pressão do ventilador 37 Surge Região de instabilidade Quando as inclinações possuem o mesmo sinal qualquer tendência para reduzir a vazão é reforçada pela redução da pressão do ventilador resultando em uma operação instável com vibração e ruído Máquinas de Fluídos Fig 24 Região mostrando um ponto onde as inclinações das curvas possuem o mesmo sinal 38 Offdesign Região de instabilidade Na Fig 25 é apresentada a região de operação que deve ser evitada para que não haja instabilidade de operação Nas curvas características é representa por uma linha chamada linha de surge Máquinas de Fluídos Fig 25 Região mostrando a faixa de operação proibida em um ventilador 39 Surge Região de instabilidade As consequências da vibração prolongada do ventilador pode ser a danificação do ventilador ou do sistema onde está conectado Máquinas de Fluídos Fig 26 Danos produzidos pela operação instável de um ventilador 40 Teste de ventiladores Teste de ventiladores Os ventiladores são normalmente testados em uma bancada que busca simular uma aplicação real A norma ANSIASHRAE Standard 51 ANSIAMCA Standard 210 é muito utilizada Um detalhe da bancada é apresentada na Fig 27 Máquinas de Fluídos Fig 27 Típica bancada para testes de ventiladores AMCA 41 Teste de ventiladores Teste de ventiladores A determinação da curva pressão vs vazão é feita desde a condição de saída totalmente aberta até a condição de shutoff Máquinas de Fluídos Fig 28 Condições de teste para a determinação das curvas características dos ventiladores 42 Teste de ventiladores Teste de ventiladores As condições de teste utilizadas representam as condições de ar seco a 20 C pressão atmosférica padrão de 101325 kPa Nessas condições o ar seco tem uma massa específica ρ igual a 1204 kgm3 O desempenho do ventilador é representado graficamente por uma curva ΔP vs Q pressão total vs vazão As unidades para a pressão normalmente utilizadas são mmca milímetros de coluna de água ou Pa Pascal ou ainda in ca polegadas de coluna de água Máquinas de Fluídos 43 Teste de ventiladores Teste de ventiladores A pressão estática Pe representa a diferença entre a pressão em um determinado ponto em uma corrente de ar ou câmara pressurizada e a pressão atmosférica É positiva quando a pressão nesse ponto for maior que a pressão atmosférica e negativa quando for abaixo Atua igualmente em todas as direções independente da velocidade do ar Máquinas de Fluídos 44 Teste de ventiladores Teste de ventiladores A pressão de velocidade ou dinâmica Pd é a pressão associada à energia cinética do argás em movimento É exercida apenas na direção do fluxo do argás e é sempre positiva Essa pressão é representada pela Eq 2 onde V é a velocidade média do escoamento em ms g é a aceleração da gravidade e ρ a massa específica em kgm3 A pressão total é então a soma das duas pressões isso é Máquinas de Fluídos 2 Pa m ou 2 2 2 V P g V P d d ρ 2 d s t P P P 2a 45 Teste de ventiladores A potência útil do ventilador Pu é dada por onde Q é a vazão volumétrica em m3s e Pt é o incremento da pressão total em Pa O rendimento do ventilador é então Dessa forma a potência absorvida pode ser calculada como Máquinas de Fluídos t W u P QP 3 abs u t P η P 4 W t t abs QP P η 5 46 Teste de ventiladores O rendimento estático ηs de um ventilador é dado por onde Ps é a pressão estática em Pa A potência de saída do motor de acionamento é onde ηM é o rendimento do motor de acionamento do ventilador Máquinas de Fluídos t t s s P P η η 6 M t t M QP P η η 7 47 Leis de semelhança Leis dos ventiladores As leis dos ventiladores relacionam as variáveis de desempenho para qualquer conjunto de ventiladores dinamicamente semelhantes As variáveis são diâmetro do impelidor D velocidade de rotação N massa específica do gás ρ vazão volumétrica Q pressão P rendimento total ηt potência absorvida de eixo Pabs Máquinas de Fluídos 48 Leis de semelhança Lei número 1 Governa o efeito da variação do diâmetro velocidade eou massa específica na vazão volumétrica pressão e potência Obs nestas equações e nas posteriores 1 representa o valor conhecido enquanto 2 o valor na máquina em consideração Máquinas de Fluídos 1 2 3 1 2 1 2 N N D D Q Q 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 ρ ρ N N D D P P 1 2 3 1 2 5 1 2 1 2 ρ ρ N N D D P P abs abs 9 10 8 49 Leis de semelhança Lei número 2 Governa o efeito da variação do diâmetro pressão eou massa específica na vazão volumétrica velocidade e potência Máquinas de Fluídos 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 ρ ρ P P D D Q Q 2 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 ρ ρ P P D D N N 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 3 ρ ρ P P D D P P abs abs 12 13 11 50 Leis de semelhança Lei número 3 Governa o efeito da variação do diâmetro vazão eou massa específica na velocidade pressão e e potência Máquinas de Fluídos 1 2 2 1 2 4 2 1 1 2 ρ ρ Q Q D D P P 1 2 3 2 1 1 2 Q Q D D N N 1 2 3 1 2 4 2 1 1 2 ρ ρ Q Q D D P P abs abs 15 16 14 51 Anexo Em sistemas de ventilação é usual a utilização de dutos com seções quadradas ou retangulares ou mesmo ovais Para converter os diâmetros calculados anteriormente em diâmetros equivalentes correspondentes a uma seção retangular com lados a e b podese utilizar a Eq abaixo Em dutos de seção oval essa conversão é feita através de onde Ar é a área da seção transversal do duto oval definida como e o perímetro é calculado como sendo A o eixo maior e a o eixo menor do duto oval Todas as dimensões envolvidas nas expressões devem estar em milímetros mm Máquinas de Fluídos 25 0 0 625 31 b a ab De 25 0 0 625 55 1 e r e P A D a a A a Ar 4 2 π a A a Pe 2 π a b A a Bibliografia ASHRAE Handbook Fundamentals 2013 Duct design Cap 21 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 2016 Fans Cap 21 ASHRAE Handbook Heating Ventilating and AirConditioning applications 2015 Ventilation of the industrial environment Cap 31 Culham RG 2001 Fans reference guide 4th ed Ontario Power Generation Máquinas de Fluidos