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Ventiladores - Algumas considerações sobre rendimento



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Axial versus radial |
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Introdução

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Ventiladores são máquinas que produzem fluxos de ar ou outros gases, com vazões relativamente altas e pressões baixas. A utilização é ampla. Há uma variedade de aplicações domésticas, comerciais e industriais.

Embora possam ser usados com qualquer gás, na prática o ar está quase sempre presente, seja na forma natural como climatização e ventilação, seja misturado com outros gases como exaustão de fornos e outros. Assim, nesta página, o ar será o gás considerado.

Operação do ventilador
Figura 01
Teoricamente um ventilador pode ser considerado um compressor de ar. Mas a distinção ocorre porque, sendo baixas as pressões de saída, os aspectos termodinâmicos da compressão podem ser desprezados sem grandes erros e a análise pode ser feita apenas com a equação de Bernoulli.

No esquema da Figura 01, desprezando a compressibilidade, a vazão volumétrica Q é a mesma na entrada (e) e na saída (s).

Se entre os pontos (e) e (s) houvesse um simples escoamento e desprezando as alturas físicas deles por se diferença muito pequena, a equação de Bernoulli em parcelas de alturas seria:

Pe  +  Ve2  =  Ps  +  Vs2   #A.0#. Onde P são pressões, V velocidades e μ a massa específica do ar.
μ g 2 g μ g 2 g

Mas o ventilador fornece energia ao fluxo. Assim deve ser considerada uma parcela de altura Hef, que corresponde à essa energia fornecida:

Pe  +  Ve2  + Hef Ps  +  Vs2   #A.1#.
μ g 2 g μ g 2 g

Isso significa que a energia fornecida é igual à soma das variações de pressões estática e dinâmica do ar. Notar que Hef corresponde à energia efetivamente adicionada ao fluxo. Não corresponde à energia consumida pelo motor, uma vez que, conforme princípios da Termodinâmica, a eficiência das máquinas é sempre menor do que 100%.

E, rearranjando a equação anterior,

Hef Ps − Pe  +  Vs2 − Ve2   #B.1#.
μ g 2 g

Observar que, se as seções transversais da entrada e saída são iguais, Vs = Ve e a segunda parcela dessa igualdade é nula.



Potências e rendimentos

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A potência efetiva pode ser obtida pelo produto da altura efetiva, vazão volumétrica e peso específico do ar:

Potef = μ g Q Hef  #A.1#.

A potência mecânica é a potência é a potência fornecida pelo motor ao eixo do ventilador. É designada também pela expressão inglesa BHP (break horse power). É dada por:

Potmec Potef   #B.1#
η

Onde η (0 < η < 1) é o rendimento do ventilador (refere-se ao ventilador somente. O motor também tem o seu rendimento e, para o conjunto, ele deve ser considerado. Mas esta página trata apenas do ventilador).

O rendimento é um fator importante. Afinal, trata-se de consumir mais ou menos energia. Ele depende do tipo de ventilador, das características construtivas e das condições de operação, de forma similar às bombas para líquidos. Tais aspectos são comentados nos próximos tópicos.



Ventiladores axiais

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Os ventiladores axiais formam o grupo ao qual pertencem os ventiladores residenciais comuns, isto é, usam hélices para produzir o fluxo. A Figura 01 abaixo dá alguns arranjos típicos, sem outros detalhes construtivos.

Ventiladores axiais
Figura 01
O arranjo indicado por A é para utilização sem dutos, em geral instalado em paredes, para fins de exaustão ou ventilação de ambientes.

Em B, o conjunto hélice/motor é montado em um trecho de duto circular, permitindo o acoplamento com outros dutos.

No arranjo C existem aletas fixas posteriores com a finalidade de direcionar o movimento espiralado do ar na saída da hélice para um movimento retilíneo ao longo do duto. Isso melhora o rendimento.

Existem outras construções: por exemplo, motor externo ao duto e acionamento por correias.



Ventiladores radiais

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O ventilador radial tem sua construção característica: pás são distribuídas radialmente formando um rotor parecido com um cilindro e o fluxo ocorre do centro para fora do conjunto, ou seja, opera de forma similar a uma bomba centrífuga para líquidos. Também chamado ventilador centrífugo.

Ventilador radial
Figura 01
O rotor gira dentro de uma carenagem especial, que dirige o fluxo para uma única saída.

A Figura 01 ao lado dá uma idéia do conjunto sem outros detalhes construtivos.

O motor (não indicado na figura) é montado na parte externa e o acionamento pode ser direto ou por correias.

O formato das pás tem significativa influência no rendimento e aplicação do ventilador. A Figura 02 mostra algumas formas usuais. Seguem comentários sobre elas.

Algumas formas de rotores para ventiladores radiais
Figura 02
A (pás radiais planas): para trabalho pesado, com partículas em suspensão e abrasivas. O rendimento é baixo.

B (pás curvas para trás): vazão média, ar limpo, baixo nível de ruído, alta pressão, rendimento médio.

C (pás curvas para frente): alta pressão, rendimento médio. Permite vazões mais altas com diâmetros menores. Não adequado para abrasivos e materiais pegajosos.

D (pás curvas para frente, saída radial): altas pressões e vazões. Rendimento médio.

E (pás de perfil asa): ar limpo, baixo nível de ruído, bom rendimento.

Além do radial simples, existem configurações mistas (hélico-axiais, etc) que não são do escopo desta página.



Axial versus radial

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Grosso modo, pode-se dizer que os ventiladores axiais são mais adequados para maiores vazões e menores pressões e o contrário para os radiais. Algumas vezes, a forma física define o tipo. Exemplo: para exaustores de parede, os axiais são mais adequados.

Os ventiladores axiais têm em geral rendimentos maiores que os radiais. Valores típicos estão perto de 80% ou acima. Isso ocorre porque a direção do fluxo de saída é a mesma da do fluxo de entrada, ou seja, não há o desvio de 90º dos radiais. Entretanto, os ventiladores radiais são mais usados. Nos Estados Unidos estima-se que, em instalações de ar condicionado, os radiais representem de 80 a 90% do total.

Algumas desvantagens dos axiais: se montados em dutos, a manutenção é mais trabalhosa. O nível de ruído é maior. Embora possam ter motores externos e acionamento por correia conforme já mencionado, os mancais e parte da correia estão em contato com o fluxo. Por melhores que sejam as proteções, isso é sempre uma limitação nos casos de partículas abrasivas, gases corrosivos e altas temperaturas.

Nos ventiladores radiais, a forma construtiva permite que os mancais sejam externos ao fluxo. Isso dá uma efetiva proteção e, no caso de altas temperaturas, o eixo pode ser prolongado ou dispor de discos para dissipar o calor. A forma construtiva também dá uma maior facilidade no trabalho de montagem ou desmontagem do conjunto. Além disso, o tipo radial com pás de perfil asa (E da Figura 02 do tópico anterior) proporciona rendimento próximo do rendimento dos axiais, embora não seja adequado para o caso de partículas abrasivas.



Curva característica

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Curva típica de um ventilador radial
Figura 01
Os ventiladores têm comportamento parecido com o das bombas centrífugas para líquidos, isto é, para uma mesma rotação, pressão e vazão variam de acordo com uma curva característica e os rendimentos e potências mecânicas também variam.

A Figura 01 ao lado dá a curva de um determinado modelo comercial, tipo radial com pás de perfil asa.

Notar que há um ponto de máximo rendimento e que ele pode cair bastante. Desde que, em geral, ventiladores operam continuamente ou por longos períodos, o correto dimensionamento e projeto da instalação são importantes para evitar desperdícios de energia.



Curva da instalação

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Seja uma instalação simples conforme Figura 01 deste tópico: o ventilador aspira ar no ponto 0 e envia para o ponto 3 através dos dutos da instalação.

Denominando patm a pressão atmosférica, as seguintes premissas são válidas:

• no ponto 0, a velocidade é nula: V0 = 0.
• as pressões em 0 e 3 são iguais à da atmosfera: p0 = p3 = patm.
• a massa específica do ar é muito baixa se comparada com líquidos. Assim, para a maioria dos casos práticos, as diferenças de alturas físicas entre os pontos pouco representam em termos de pressões. Elas não são consideradas na equação de Bernoulli.

Considerando que, no escoamento real, há perda de carga nos dutos e nos seus acessórios, deve-se incluir em um lado da equação uma parcela J que representa essas perdas. Assim, entre os pontos 0 e 1 pode-se escrever:

p0  +  V02  − J01 p1  +  V12  
μ g 2 g μ g 2 g

Onde J01 é a perda de carga entre 0 e 1. Substituindo os valores das premissas anteriores:

patm  +  02  − J01 p1  +  V12   Reagrupando,
μ g 2 g μ g 2 g

p1  +  V12  =  patm  − J01  #A.1#.
μ g 2 g μ g

E, entre 2 e 3, ocorre:

p2  +  V22  − J23 p3  +  V32  
μ g 2 g μ g 2 g

Instalação típica de um ventilador
Figura 01
Substituindo o valor de p3 e rearranjando,

p2  +  V22  = J23 patm  +  V32   #B.1#
μ g 2 g μ g 2 g

Entre os pontos 1 e 2 (entrada e saída do ventilador) é aplicada a igualdade #A.1# do tópico inicial:

P1  +  V12  + Hef P2  +  V22  
μ g 2 g μ g 2 g


Nessa igualdade, o valor de p1 / (μ g) + V12 / (2 g) pode ser substituído pelo valor da igualdade #A.1# deste tópico e o valor de p2 / (μ g) + V22 / (2 g) pode ser substituído pelo valor da igualdade #B.1#. Portanto,

patm  − J01 + Hef = J23 patm  +  V32  
μ g μ g 2 g

Suprimindo as parcelas iguais em ambos os lados e explicitando Hef,

Hef = J01 + J23 V32  
2 g

Considerando:

• vazão Q = SV, onde S é a área da seção transversal do duto.
• velocidade V3 = Q/S3.

Substituindo na igualdade anterior,

Hef = J01 + J23 Q2   #C.1#
2 g S32

Notar que J01, J23 e S3 são valores conhecidos pelo cálculo e dimensionamento da tubulação e g é uma constante. Assim, essa igualdade é a função de Hef em relação à vazão para a instalação.

Ora, o ventilador tem sua função Hef = f(Q) dada por uma curva conforme exemplo do tópico anterior.

Curva da instalação de um ventilador
Figura 02
Assim, traçando ambas no mesmo gráfico, pode-se deduzir que o ponto de operação é a interseção das duas curvas conforme ponto O da Figura 02 A.

E esta análise é importante: inserindo também a curva do rendimento, pode-se ver que, em A, o ventilador trabalha perto do máximo rendimento (o ideal seria neste). Se a curva da instalação fosse como uma das duas do gráfico B, o ponto de operação (O' ou O'') teria um rendimento menor.

A conclusão óbvia é que a escolha adequada do ventilador e o correto dimensionamento da instalação influem significativamente no rendimento e isso se traduz em maior ou menor consumo de energia.

Instalações que precisam de vazão variável podem usar registros tipo borboleta ou similares para aumentar ou diminuir a perda de carga. Como ela é parâmetro da igualdade anterior, a curva da instalação muda e, por conseqüência, o ponto de operação varia, diminuindo ou aumentando a vazão. Entretanto, isso significa trabalho em pontos de menor rendimento.

Uma alternativa melhor é variar a vazão do ventilador. Em outras épocas, isso só era possível com variadores mecânicos de rotação ou motores de corrente contínua. No caso de ventiladores axiais, também por mecanismos que variam o ângulo das pás. Todos esses são equipamentos mais caros ou de manutenção problemática. Atualmente, os conversores de freqüência são capazes de proporcionar o controle com custos razoáveis e pouca manutenção.


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