Pneumática Ventiladores Introdução



Baixar 37.6 Kb.
Encontro04.08.2016
Tamanho37.6 Kb.

Pneumática

Ventiladores
Introdução

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.

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 direita, desprezando a compressibilidade, a vazão volumétrica (caudal) 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 dos mesmos pois a diferença é muito pequena, a equação de Bernoulli em parcelas de alturas seria:


Pe / (µ g) + Ve2 / (2 g) = Ps / (µ g) + Vs2 / (2 g),
onde P são pressões, V velocidades e µ a massa específica do ar.
Mas o ventilador fornece energia ao fluxo. Assim deve ser considerada uma parcela de altura Hef que corresponde à essa energia fornecida:
Pe / (µ g) + Ve2 / (2 g) + Hef = Ps / (µ g) + Vs2 / (2 g)
Isto significa que a energia fornecida é igual à soma das variações de pressões estática e dinâmica do ar.

Notar que Hef corresponde à energia efectivamente 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) / (µg) + (Vs2 - Ve2) / (2g)
Potências e rendimentos

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


Potef = µ g Q Hef
A potência mecânica é a potência é a potência fornecida pelo motor ao eixo do ventilador. É conhecida também pela expressão usual inglesa BHP (break horse power). É dada por:
Potmec = Potef / η
Onde η (0 < η < 1) é o rendimento do ventilador (é o rendimento do 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 factor 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


Os ventiladores axiais formam o grupo ao qual pertencem os ventiladores residenciais comuns, isto é, usam hélices para produzir o fluxo.

A Figura abaixo dá alguns arranjos típicos, sem outros detalhes construtivos.



O arranjo indicado por A é para utilização sem ductos, 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 ductos.

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

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



Ventiladores radiais


O ventilador radial tem sua construção característica: pás são distribuídas radialmente formando um rotor parecido com um cilindro e o fluxo se dá radialmente, 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 ao lado dá uma ideia do conjunto sem outros detalhes construtivos.   O motor (não indicado na figura) é montado na parte externa e o accionamento pode ser directo ou por correias.

O formato das pás tem significativa influência no rendimento e aplicação do ventilador. A Figura à direita mostra algumas formas usuais. Seguem comentários sobre as mesmas.

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


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 direcção 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 ductos, a manutenção é mais trabalhosa. O nível de ruído é maior. Embora possam ter motores externos e accionamento por correia conforme já mencionado, os mancais e parte da correia estão em contacto com o fluxo. Por melhores que sejam as protecções, 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 efectiva protecção aos mesmos 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 do tópico anterior) proporciona rendimento próximo dos axiais, embora não seja adequado para o caso de partículas abrasivas.



Curva característica


Os ventiladores têm um comportamento parecido com 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 ao lado direito 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 este pode cair bastante. Desde que em geral ventiladores operam continuamente ou por longos períodos, o correcto dimensionamento e projecto da instalação são importantes para evitar desperdícios de energia.

Curva da instalação


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

Chamando 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 ductos e acessórios dos mesmos, 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 / (µ g) + V02 / (2 g)  - J01 = p1 / (µ g) + V12 / (2 g).
Onde J01 é a perda de carga entre 0 e 1. Substituindo os valores das premissas anteriores:
patm / (µ g) + 02 / (2 g) - J01 = p1 / (µ g) + V12 / (2 g).
Ou p1 / (µ g) + V12 / (2 g) = patm / (µ g) - J01
E, entre 2 e 3, ocorre: p2 / (µ g) + V22 / (2 g)  - J23 = p3 / (µ g) + V32 / (2 g).
Substituindo o valor de p3 e rearranjando:
p2 / (µ g) + V22 / (2 g) = 
J
23 + patm / (µ g) + V32 / (2 g)
Obtém-se Hef = J01 + J23 + Q2 / (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.

Assim, colocando ambas no mesmo gráfico, pode-se deduzir que o ponto de operação é a intersecção das duas curvas conforme ponto O da Figura.
E esta análise é importante: inserindo também a curva do rendimento (azul) 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 correcto 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 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. Actualmente, os conversores de frequência são capazes de proporcionar o controle com custos razoáveis e pouca manutenção.

Ventilador da série DD, com motor directamente acoplado, arrefecido pelo fluxo de ar e com turbina de pás “curvadas para a frente”. Fonte: Ventilnorte - Ventilação e Técnicas Electromecânicas, Lda –




Utilização racional (fonte - PROGRAMA EUROPEU MOTOR CHALLENGE)

É geralmente aceite que podem ser conseguidas economias de energia significativas com um uso mais cuidado dos ventiladores disponíveis, particularmente com um projecto racional e mais cuidado do sistema (condutas, juntas e dispositivos de regulação). Existem muitos exemplos como melhorar a eficiência.

A dificuldade no projecto de sistemas eficientes reside na previsão exacta das perdas, sem a qual as características do sistema não podem ser desenhadas. A regulação e controlo são necessários para fazer corresponder continuamente as necessidades do sistema com a potência de saída do ventilador. Apesar de um ventilador poder ser instalado para um desempenho óptimo para as condições normais de funcionamento, ele deve ser capaz de funcionar satisfatoriamente sob condições diferentes.

As medidas de economia de energia podem passar pela melhoria de componentes específicos do sistema, ou por melhorias globais do sistema. Contudo, deve-se notar que o rendimento global do sistema é principalmente determinado pelo componente com o mais baixo rendimento. Por este motivo, a utilização de alguns componentes de elevado rendimento não garante um elevado rendimento global, pois o rendimento global do sistema corresponde à multiplicação do rendimento dos diversos componentes que compõem o sistema. A interacção entre a ventoinha e o restante sistema é crucial para a aplicação com sucesso do ponto de vista do desempenho pretendido e da economia de energia. As diversas resistências

(condutas, curvas, estrangulamentos) ao escoamento do caudal pretendido num dado circuito podem causar uma elevada percentagem de perdas nesse circuito, levando a que o ventilador funcione fora do ponto de funcionamento projectado, ou tornando o ventilador inadequado para a aplicação pretendida.

A utilização eficiente de um ventilador pode e deve ser promovida através de uma análise cuidada de todas as origens de perdas. É verdade que o ventilador tem de ser cuidadosamente projectado, mas todo este esforço para um projecto cuidado do ventilador pode ser inútil, se todas as outras fases da escolha/projecto forem descuidadas. Mais concretamente: Economias de energia são possíveis na escolha cuidada do ventilador, na adopção do período de funcionamento do sistema e melhorando o sistema de força motriz e o sistema de condutas.

Os parágrafos seguintes mostram as economias de energia potencialmente significativas que podem ser aplicadas ao seu sistema. Estas medidas são apresentadas começando pelas que possuem mais elevado potencial e maior facilidade de implementação.

As oportunidades para a redução do consumo de energia de ventiladores são consideradas segundo as quatro categorias seguintes:

a) Projecto do sistema de ventilação para minimização de perdas para um determinado serviço, incluindo o comprimento e posição das condutas, mudanças de direcção e secção transversal.

b) Escolha do melhor ventilador para determinado serviço: assume-se o conhecimento não só da potência nominal requerida do sistema, mas também da amplitude da variação da potência durante o funcionamento. As perdas devidas à constituição do circuito também desempenham aqui um papel importante.

c) Escolha do tipo de regulação do ponto de serviço do ventilador: inclui o estrangulamento, a velocidade variável, a geometria variável, etc.

d) Rendimento do ventilador: diferentes tipos de ventiladores têm rendimentos máximos diferentes, sendo que os ventiladores axiais com lâminas aerodinâmicas apresentam os valores de rendimento superiores. No entanto, por vezes, até ventiladores do mesmo tipo têm rendimentos máximos significativamente diferentes. A selecção do ventilador deve favorecer sempre os de maior rendimento.

De seguida, é apresentada uma lista de medidas que é importante considerar quando se pretende melhorar o desempenho do sistema. Esta lista pretende ser apenas um guia, podendo outras medidas ser tomadas, dependendo das necessidades específicas do sistema.

(1) Controlo e sistema de accionamento de força motriz

O sistema de controlo (incluindo o controlo do caudal em função das necessidades e o período de funcionamento) é muito importante quando se pretende poupar energia.



Período de funcionamento

Para minimizar o tempo de funcionamento do sistema é necessário analisar a necessidade de ventilação durante as diferentes partes do ano, mês e dia.

Utilizando esta análise para estabelecer um calendário de funcionamento óptimo pode reduzir drasticamente o consumo de energia. Um exemplo do potencial elevado de economias é a ventilação de instalações comerciais e industriais fora das horas de serviço.

Controlo do caudal em função das necessidades

Existem diversos tipos de sistemas de caudal variável disponíveis no mercado.

Através da monitorização do processo, o caudal de ar ventilado pode ser ajustado às necessidades. Existem controladores de caudal de diversos tipos.

Um dos mais usados é o variador electrónico de velocidade com conversor de frequência2. Para grandes ventiladores axiais, ajustar a inclinação das pás é um método comum para regular o caudal.



(2) Motor

a) Seleccionar o tipo e dimensões do motor correctamente. Uma margem de segurança elevada resultaria num motor com potência elevada, o que se traduziria em perdas mais elevadas. Os motores modernos têm bom desempenho entre 80 e 100% da carga nominal, tornando a escolha do motor mais fácil. Contudo, a selecção/dimensionamento correcto do motor é muito importante.

b) Com excepção de aplicações com baixos períodos de funcionamento, vale sempre a pena equacionar a aquisição de motores de classe de rendimento 1 (alto rendimento) ou 2 (médio rendimento), que minimizam as perdas, logo reduzem os custos de funcionamento. (Para mais informações ver o módulo de sistemas de accionamentos de força motriz).

2 Notar que os conversores de frequência implicam perdas adicionais no sistema (tipicamente cerca de 5%), mas que podem ser negligenciadas se o ventilador funcionar com regularidade com carga parcial. Contudo, se não existir necessidade ou possibilidade de regular o caudal de ar, os conversores de frequência devem ser evitados.



(3) Transmissão

a) Evitar caixas de velocidades sempre que possível

b) Mudar de correia trapezoidal (V-belt) para accionamento directo

c) Mudar de correia trapezoidal (V-belt) para correia plana

d) Mudar de correia plana para accionamento directo

Sempre que possível, evitar a inclusão de uma transmissão entre o motor e o ventilador. O acoplamento mais eficiente é o acoplamento directo entre o motor e o ventilador num eixo.



(4) Condutas

a) O sistema de condutas é tipicamente instalado em edifícios ou instalações industriais depois de a estrutura principal do edifício estar concluída. Por vezes, isto torna necessárias muitas curvas e mudanças de diâmetro dos tubos. Embora sejam instaladas muitas condutas rectangulares, as condutas tubulares são melhores do ponto de vista do consumo de energia.

b) Depois da instalação, o sistema de ventilação tem de ser equilibrado para que todos os locais recebam a ventilação pretendida. Por vezes, este equilíbrio é conseguido instalando estranguladores em algumas condutas, o que se traduz em perdas de pressão adicionais, logo desperdício de energia. Para evitar estas perdas, o correcto planeamento do sistema de ventilação é necessário.

(5) Selecção do ventilador e manutenção

Podem ser conseguidas economias de energia com a escolha do ventilador correcto. A escolha correcta do ventilador é hoje mais fácil devido a programas para o efeito disponibilizados pelos fabricantes. Também podem ser conseguidas economias se for efectuada manutenção frequente de todo o sistema.

O potencial de economia de cada uma das medidas apresentadas encontra-se resumido na Tabela 3, assim como a sua aplicabilidade em novos sistemas, aquando de revisões profundas ou melhoramentos no sistema. É claro que a aplicabilidade de algumas medidas, e até que ponto é que elas podem ser economicamente vantajosas, depende da dimensão do sistema e da natureza específica do seu funcionamento. Apenas uma avaliação do sistema e das necessidades da empresa pode determinar quais as medidas que são simultaneamente aplicáveis e rentáveis. Isto pode ser feito por uma empresa qualificada de consultoria em engenharia (que pode ser um Associado do PMC) ou por pessoal qualificado da própria empresa.
Bibliografia

Manual da Atlas Copco



Fundamentos da Pneumática, Renato Dall’Amico, SMC Pneumáticos do Brasil

Web

www.acser-automacao.com.br; www.mspc.eng.br; www.parker.com


Mário Loureiro



Compartilhe com seus amigos:


©principo.org 2019
enviar mensagem

    Página principal