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Ventiladores - Algumas Considerações sobre Rendimento I

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Tópicos: Introdução | Potência e Rendimento | Ventiladores Axiais | Ventiladores Radiais |

1) Introdução

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Ventiladores são máquinas que produzem fluxos de ar ou de outros gases, com vazões relativamente altas e pressões baixas. A utilização é disseminada. 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.

Teoricamente um ventilador pode ser considerado um compressor de ar. Mas a distinção ocorre porque, em função das reduzidas pressões de saída, os aspectos termodinâmicos da compressão podem ser desprezados sem grandes erros e análises pode ser feitas com a equação de Bernoulli.

No esquema da Figura 1-I, 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 ser pequena, a equação de Bernoulli em parcelas de alturas seria:

$$\frac{p_e}{\mu g} + \frac{v_e^2}{2g} = \frac{p_s}{\mu g} + \frac{v_s^2}{2g} \tag{1A}$$
Onde P são pressões, V velocidades e μ a massa específica do ar.

Operação do ventilador
Fig 1-I

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

$$\frac{p_e}{\mu g} + \frac{v_e^2}{2g} + h_{ef} = \frac{p_s}{\mu g} + \frac{v_s^2}{2g} \tag{1B}$$
Isso significa que a energia fornecida é igual à soma das variações de pressões estática e dinâmica do ar. Nota-se 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%. Rearranjando a equação anterior,

$$h_{ef} = \frac{p_s - p_e}{\mu g}+ \frac{v_s^2 - v_e^2}{2g} \tag{1C}$$
Observa-se que, se as seções transversais da entrada e saída são iguais, vs = ve e a segunda parcela dessa igualdade é nula.


2) Potência e Rendimento

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

$$P_{ef} = \mu\ g\ Q\ h_{ef} \tag{2A}$$
A potência mecânica é aquela fornecida pelo motor ao eixo do ventilador. É também designada também pela expressão inglesa BHP (break horse power). É calculada por:

$$P_{mec} = \frac{P_{ef}}{\eta} \tag{2B}$$
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). O rendimento depende do tipo de ventilador, das características construtivas e das condições de operação, de forma similar às bombas para líquidos.


3) 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 3-I dá alguns arranjos típicos, sem outros detalhes construtivos.

Ventiladores axiais
Fig 3-I

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 (melhor rendimento). Há outras construções como motor externo ao duto e acionamento por correias.


4) 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.

O rotor gira dentro de uma carenagem especial, que dirige o fluxo para uma única saída. A Figura 4-I dá uma ideia 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.

Ventilador radial
Fig 4-I

O formato das pás tem significativa influência no rendimento e aplicação do ventilador. A Figura 4-II mostra algumas formas usuais.


Fig 4-II

• 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.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Giek, Kurt. Manual de Fórmulas Técnicas. São Paulo, Hemus.
Macintyre, Archibald J. Ventilação Industrial. Rio: Guanabara, 1990.

Topo | Rev: Mai/2018