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Ventiladores - Algumas Considerações sobre Rendimento II

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Tópicos: Axial versus Radial | Curva Característica | Curva da Instalação |

1) 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 90° 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 proporciona rendimento próximo do rendimento dos axiais, embora não seja adequado para o caso de partículas abrasivas.


2) Curva Característica

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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 2-I dá a curva de um determinado modelo comercial, tipo radial com pás de perfil asa.

Curva típica de um ventilador radial
Fig 2-I

Nota-se 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.


3) Curva da Instalação

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Seja uma instalação simples conforme Figura 3-I: 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 pequena 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:

$$\frac{p_e}{\mu g} + \frac{v_0^2}{2g} - J_{01} = \frac{p_1}{\mu g} + \frac{v_1^2}{2g} \tag{3A}$$
Onde J01 é a perda de carga entre 0 e 1. Substituindo os valores conforme premissas anteriores,

$$\frac{p_{atm}}{\mu g} + \frac{0_0^2}{2g} - J_{01} = \frac{p_1}{\mu g} + \frac{v_1^2}{2g} \tag{3B}$$
Reagrupando,

$$\frac{p_1}{\mu g} + \frac{v_1^2}{2g} = \frac{p_{atm}}{\mu g} - J_{01} \tag{3C}$$
E, entre 2 e 3, ocorre:

$$\frac{p_2}{\mu g} + \frac{v_2^2}{2g} - J_{23} = \frac{p_3}{\mu g} + \frac{v_3^2}{2g} \tag{3D}$$
Substituindo o valor de p3 e rearranjando,

$$\frac{p_2}{\mu g} + \frac{v_2^2}{2g} = J_{23} + \frac{p_{atm}}{\mu g} + \frac{v_3^2}{2g} \tag{3E}$$
Instalação típica de um ventilador
Fig 3-I

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

$$\frac{p_1}{\mu g} + \frac{v_1^2}{2g} + h_{ef} = \frac{p_2}{\mu g} + \frac{v_2^2}{2g} \tag{3F}$$
Nessa igualdade, o valor de p1 / (μ g) + v12 / (2 g) pode ser substituído pelo valor da igualdade (3C) e o valor de p2 / (μ g) + v22 / (2 g) pode ser substituído pelo valor da igualdade (3E). Portanto,

$$\frac{p_{atm}}{\mu g} - J_{01} + h_{ef} = J_{23} + \frac{p_{atm}}{\mu g} + \frac{v_3^2}{2g} \tag{3G}$$

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

$$h_{ef} = J_{01} + J_{23} + \frac{v_3^2}{2g} \tag{3H}$$
Considerando que vazão Q = S v, onde S é a área da seção transversal do duto, tem-se velocidade v3 = Q / S3. Substituindo na igualdade anterior,

$$h_{ef} = J_{01} + J_{23} + \frac{Q^2}{2 g S_3^2} \tag{3I}$$
Nota-se 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.

Curva da instalação de um ventilador
Fig 3-II

Ora, o ventilador tem sua função hef = f(Q) dada por uma curva conforme exemplo do tópico anterior. 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 3-II A. Inserindo também a curva do rendimento, pode-se ver que, em A, o ventilador trabalha perto do máximo rendimento (o ideal seria nesse). 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 é que a escolha adequada do ventilador e o correto dimensionamento da instalação influem 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 consequência, 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 frequência são capazes de proporcionar o controle com custos razoáveis e pouca manutenção.
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