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Ventilador Centrífugo É um ventilador em que o ar entra no rotor axial mente e é descarregado radialmente em uma carcaça do tipo voluta. Os ventiladores centrífugos são divididos em três classificações de acordo com o tipo de rotor: com rotor de pás curvadas para a frente (Xeroco), com rotor de pás voltadas para trás (Limite load e Ariel), com rotor de pás radiais. A rotação para determinado tipo de rotor de ventilador centrífugo é determinada pela velocidade periférica necessária para produzir a velocidade de partícula de gás absoluta requerida para a aplicação (Fig. 1). Este vetor de velocidade de partícula absoluta relativo ao solo (S) tem dois componentes, um radial (r) e o outro tangencial (t) ao rotor. A velocidade do ar relativa à pá é indicada pelo vetor da pá (B) que é quase tangencial à pá, embora algum escorregamento possa ocorrer. A extensão do vetor da velocidade periférica (R), conforme representado no diagrama, indica a RPM relativa do rotor para produzir uma determinada capacidade. Examinando-se a extensão relativa do vetor R, pode-se ver que o ventilador Sirocco requer a menor velocidade. Ventilador Centrífugo com Rotor de Pás Curvadas para a Frente (Sirocco) O ventilador centrífugo tipo sirocco movimenta-se a rotações relativamente baixas e é geralmente usado para produzir vazões altas com baixa pressão estática. O intervalo de operação típico deste tipo de ventilador é 30 a 80% da vazão em descarga livre (Fig. 2). O rendimento estático máximo de 60-68% geralmente ocorre ligeiramente à direita do pico da pressão estática. A curva da potência tem um aclive crescente e é chamada de "tipo sobrecarga". O ventilador Sirocco pode entrar em instabilidade, porém a magnitude é tipicamente menor do que a dos outros tipos. As vantagens do ventilador Sirocco São o baixo custo, A rotação baixa que minimiza o tamanho do eixo e do mancal, e um amplo intervalo de operação. As desvantagens são: O formato de sua curva de desempenho que permite a possibilidade de instabilidade por paralelismo, e uma sobrecarga do motor que pode ocorrer se a pressão estática do sistema diminuir. Não é adequado para o transporte de materiais devido à configuração de suas pás. É inerentemente mais fraco em seu aspecto estrutural que os demais tipos. Não atingem as altas rotações necessárias para desenvolver as pressões estáticas mais elevadas. Ventilador com Rotor de Pás Voltadas para Trás (Limit Load) Os ventiladores tipo Limit Load movimentam-se a aproximadamente duas vezes a rotação dos ventiladores Sirocco, conforme previamente indicado pelo diagrama do vetor de velocidade. O intervalo de seleção normal do ventilador Limit Load é de aproximadamente 40-85 % da vazão em descarga livre (Ver Fig. 3). O rendimento estático máximo de cerca de 80% geralmente ocorre próximo ao limite de seu intervalo de operação normal. Geralmente, quanto maior o ventilador, mais eficiente ele se torna para uma determinada seleção. A magnitude da instabilidade, quando ocorre, de um ventilador limit load é maior do que de um ventilador Sirocco. As vantagens do ventilador Limit Load são o Maior rendimento e a curva de potência de não-sobrecarga (carga limite). A curva de potência geralmente atinge um máximo no meio do intervalo de operação normal, portanto a sobrecarga geralmente não é problema. Inerentemente, um projeto mais forte o torna adequado para operação em pressão estática mais elevada As desvantagens do ventilador Limit Load incluem, primeiramente, A rotação mais alta a qual requer tamanhos maiores de eixo e mancal e confere mais importância ao balanceamento apropriado Uma operação instável ocorre na medida em que a pressão estática de operação se aproxima da pressão estática máxima (para vazão nula). Este ventilador também é inadequado para o transporte de materiais. Ventiladores Axiais Os ventiladores axiais dividem-se em três grupos: propeller, tuboaxial e vaneaxial. Nos últimos anos, um projeto mais sofisticado dos ventiladores vaneaxiais tornou possível o uso destes ventiladores em pressões comparáveis àquelas desenvolvidas pelos ventiladores Limit Load do tipo aerofólio, com rendimento total igual.
Estes ventiladores possuem pás de passo variável as quais podem ser ativadas por um controle externo. Para ventiladores de grande porte que requerem potência motora acima de 75 kW, é comparativamente simples mudar-se as características do ventilador, quer com a utilização de um controlador manual ou de um pneumático. A desvantagem destes ventiladores é seu alto nível de ruído; atenuações de ruído geralmente são necessárias tanto à montante quanto à jusante O ventilador tipo propeller é bem aplicado para altos volumes de ar com pouca ou nenhuma pressão estática diferencial. Os ventiladores tuboaxiais e os ventiladores vaneaxiais (Fig. 9) são simplesmente ventiladores com um rotor axial (hélice) montados em um cilindro, sendo similares, entre sí, exceto pelas pás de guia (endireitadores) nos ventiladores vaneaxiais. Estas pás de guia removem grande parte do turbilhonamento do ar e melhoram o rendimento. Portanto, um ventilador vaneaxial é mais eficiente do que um ventilador tuboaxial e pode atingir pressões mais elevadas. Com os ventiladores axiais, a potência absorvida é máxima na pressão estática máxima (vazão nula). Com ventiladores centrífugos, a potência absorvida é mínima na pressão estática máxima (vazão nula). As vantagens dos ventiladores tuboaxiais e vaneaxiais são O peso e o tamanho reduzidos, O fluxo de ar em linha reta que freqüentemente elimina curvas no sistema de dutos. O rendimento estático máximo de um ventilador vaneaxial industrial é aproximadamente de 85%. O intervalo de operação para ventiladores axiais é de aproximadamente 65 a 90% da vazão máxima (descarga livre). As desvantagens dos ventiladores axiais são o Alto nível de ruído Rendimento menor do que o dos ventiladores centrífugos. Nos últimos anos, um projeto mais sofisticado dos ventiladores vaneaxiais tornou possível o uso destes ventiladores em pressões comparáveis àquelas desenvolvidas pelos ventiladores Limit Load do tipo aerofólio, com rendimento total igual. Estes ventiladores possuem pás de passo variável as quais podem ser ativadas por um controle externo. Para ventiladores de grande porte que requerem potência motora acima de 75 kW, é comparativamente simples mudar-se as características do ventilador, quer com a utilização de um controlador manual ou de um pneumático. A desvantagem destes ventiladores é seu alto nível de ruído; atenuações de ruído geralmente são necessárias tanto à montante quanto à jusante SELEÇÃO DO VENTILADOR Em qualquer sistema de ventilação, três parâmetros básicos são exigidos para a seleção do ventilador: Vazão de ar ou capacidade (m³/h), O potencial exigido para mover o ar pelo sistema, quer seja pressão total ou estática (mmca) e; A velocidade de descarga (m/s). A vazão de ar é determinada pelo projetista do sistema a uma temperatura específica e de acordo com a pressão barométrica na entrada do sistema. O desempenho do ventilador é uma função da densidade do ar na sua aspiração. Esta densidade não apenas determina a capacidade volumétrica para uma determinada massa de fluido, mas também a pressão desenvolvida pelo ventilador. Fatores que afetam a densidade do ar são: Pressão barométrica, Temperatura e umidade relativa. Sempre que estas condições não forem especificadas, o fornecedor de ventiladores normalmente assume o ar em condições padrão (ar seco a 20°C e pressão barométrica de 760 mmHg
diversas referências excelentes encontram-se disponíveis. Independentemente do método utilizado para selecionar um ventilador, existe geralmente uma seleção possível de dois ou mais ventiladores adequados. A economia é normalmente o fator determinante na seleção final. O custo inicial de cada ventilador, que inclui todos os acessórios exigidos, atenuadores acústicos e isoladores de vibração, deve ser determinado. A estes custos de componentes deve-se adicionar o custo de instalação. O custo inicial pode ser traduzido em um "custo de propriedade" anual, ao qual adiciona-se o custo de energia anual para o funcionamento do ventilador e o custo de manutenção anual. O ventilador cujos custos anuais de propriedade e de operação forem menores será, então, a seleção lógica. A vibração e o ruído do ventilador são considerações importantes e são influenciadas pelo tamanho e tipo de ventilador, sua rotação e seu rendimento. Em geral, os ventiladores axiais requerem tratamento acústico tanto no lado da aspiração como da descarga. Por outro lado, os ventiladores centrífugos normalmente necessitam de tratamento mínimo e, se for o caso, somente na descarga. Para sistemas de ventiladores de alta e média pressão, é aconselhável a orientação de um especialista em acústica. Alguns fabricantes publicam dados certificados de valores de ruído para os seus ventiladores e estes devem ser consultados quando disponíveis. Além dos já citados métodos manuais de seleção de ventiladores, muitos fabricantes também tem programas computacionais disponíveis. Eles tornam a seleção mais rápida e dirigida, além de permitirem a impressão de folhas de dados e curvas personalizadas. EFEITOS DO SISTEMA NA ASPIRAÇÃO DO VENTILADOR O desempenho de ventiladores registrado em catálogos baseia-se em testes de laboratório realizados em condições ideais que quase nunca ocorrem na aspiração do ventilador. Este desvio do ideal produz perdas de pressão que reduzem, com frequência seriamente, os valores de desempenho catalogados. Há três causas básicas ou várias combinações das três para as perdas de aspiração do ventilador: (a) Vazão não uniforme para dentro da aspiração do ventilador; (b) Redemoinho ou vorticidade; (c) Bloqueio de fluxo ou restrições na aspiração. Redemoinho ou Vorticidade Redemoinho na aspiração, ou vorticidade, é uma causa frequente de redução no desempenho do ventilador. Se o giro for imposto na direção da rotação do rotor, uma situação correspondente ao uso de pás de guia (vanes) surge: a vazão do ventilador, a pressão e a potência são menores do que o esperado. Se o giro do ar for contrário à rotação do rotor, a vazão e a pressão estática serão maiores do que o esperado e a potência absorvida também será maior. Em ambos os casos, o redemoinho sempre reduz o rendimento. Estas condições são prontamente superadas instalando-se veios ou um separador na aspiração do ventilador, conforme graficamente representado na Fig. 2. Bloqueio de Fluxo ou Restrições na Aspiração Restrições ou bloqueios na aspiração do ventilador podem ser encontrados devido às condições de instalação de campo. Nestes casos, uma perda na pressão estática será imposta. Isto exigirá um aumento na rotação do ventilador, com um aumento correspondente na potência absorvida, para corrigir a situação. Sob certas condições, um ventilador poderá ter um duto de aspiração reto relativamente curto iniciando num plenum, através de uma parede, ou um duto com flanges. Em alguns casos, o duto termina bruscamente (Ver Fig. 3). Quando o duto termina num plenum, através de uma parede, ou num duto com flanges, há uma perda de pressão correspondente a metade da pressão dinâmica do duto de aspiração.
Quando o duto termina bruscamente, a perda de pressão é 9/10 pressão dinâmica do duto de aspiração. Em todos esses casos, um bocal de aspiração reduziria a perda de aspiração para 1/20 da pressão dinâmica do duto de aspiração. Em algumas aplicações, os ventiladores são instalados em câmaras tipo plenum com aspirações abertas. Ocasionalmente, a parede do plenum poderá estar suficientemente próxima à aspiração do ventilador restringindo o fluxo de ar. Paredes ou obstruções similares devem ser mantidas a uma distância mínima "A" correspondente a meio diâmetro do rotor do ventilador (Ver Fig.4). Um espaçamento de 1/3 do diâmetro do rotor reduzirá a pressão e a vazão em aproximadamente 10%. Instalações de ventiladores, que empregam pás de guia variáveis na aspiração, frequentemente resultam numa resistência adicional ao fluxo que diminui o desempenho catalogado. Há uma tendência crescente na indústria de ventiladores de montar pás de guia variáveis na aspiração dentro do bocal do ventilador, contrastando com a prática de montar um conjunto acessório de pás à montante da aspiração, com um diâmetro maior, e numa área de mais baixa velocidade. As pás de guia na aspiração, montadas no bocal, frequentemente apresentam o seu mecanismo de atuação no centro, e isso parcialmente obstrui o fluxo da mesma forma que as próprias pás. Este bloqueio representa percentual maior em ventiladores menores e, assim sendo, a perda de desempenho é proporcionalmente maior (Ver Fig. 5). Por exemplo, um ventilador de 300 mm de diâmetro deve funcionar com rpm 4% mais alta para atender a capacidade informada no catálogo, com um aumento correspondente da potência de aproximadamente 12%. Ventiladores de simples aspiração são frequentemente testados, com objetivo de avaliação de desempenho, num arranjo sem mancal na aspiração; consequentemente, o desempenho destes ventiladores com um mancal na aspiração será ligeiramente menor do que o valor catalogado. A redução do desempenho será proporcionalmente maior para ventiladores menores do que para ventiladores maiores devido à área de bloqueio relativamente maior. A redução será maior para ventiladores de pressão mais alta do que para ventiladores de baixa pressão devido ao mancal e seu suporte serem maiores. Ventiladores de dupla aspiração são frequentemente avaliados usando-se uma extensão no eixo motriz. Isto elimina o efeito de bloqueio das correias e da polia movida. O desempenho catalogado é ligeiramente reduzido pela transmissão normal por correias. Esta redução é maior em ventiladores de pressão maior devido às polias e correias serem mais largas. O comentário feito a respeito dos efeitos do suporte de mancal para os ventiladores de simples aspiração também se aplica a este caso. Estes efeitos são geralmente inferiores a 4% na rotação ou vazão e 12% na potência. Além do bloqueio da transmissão e das correias, potência adicional é necessária ao utilizar-se mancais e graxa para serviço pesado ( heavy duto). Perdas nas correias são uma função da tensão, da quantidade e do tipo de correias. Perdas típicas de transmissão por correias representam 2 a 6%, e podem ser significativamente maiores com ventiladores menores em velocidades lentas. Ao selecionar um motor em ou próximo a sua capacidade nominal, isto deve ser levado em consideração. EFEITOS DO SISTEMA NA DESCARGA DO VENTILADOR Condições de descarga do ventilador não alteram as características de seu desempenho da mesma forma que ocorre com turbulências na aspiração. As condições de descarga do ventilador
pequeno e anexada diretamente à descarga do ventilador. Preferivelmente, uma curva de raio médio deve ser usada (raio médio mínimo 1,5 x diâmetro do duto equivalente) ou um duto reto com comprimento de um diâmetro equivalente seguido por um curva quadrada com veios, resultarão numa perda menor, mas somente se a velocidade de descarga nominal do ventilador for menor que 10 m/s para minimizar problemas de geração de ruído. Presumindo-se que uma curva de raio médio de seção transversal retangular é ajustada à descarga do ventilador, ela pode conduzir o ar em qualquer uma das quatro direções. Se a velocidade de descarga do ventilador fosse uniforme, poderíamos calcular rapidamente a perda na curva, e qualquer direção para a qual a girássemos seria irrelevante. Com uma velocidade de descarga não-uniforme e em forma espiral, não podemos aplicar qualquer dos fatores de fricção para dutos e curvas normais que se encontram no Manual ASHRAE ou outras referências. Isso se aplica somente quando o fluxo for uniforme através do duto, sem qualquer espiral. Se o fluxo fosse uniforme, tal curva teria uma perda de pressão de 0,25 x velocidade de descarga do ventilador. O fluxo numa curva localizada na descarga de um ventilador difere em cada uma das quatro posições, tanto para ventiladores de simples como de dupla aspiração. (Fig. 7 mostra uma ilustração das quatro posições). Para a posição A, a porção de alta velocidade do fluxo do ar fica no mesmo lado da voluta e da curva. Isto resultará na menor perda das quatro posições. Deveria ser usada sempre que possível. Assume-se uma perda igual a 0,5 vezes a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal, tanto para os ventiladores de simples quanto para os dupla aspiração. Para a posição B, a segunda posição de menor perda para um ventilador de simples aspiração, a velocidade alta saindo da voluta continua pelo lado de fora da curva. Assume-se uma perda igual a 0,6 vezes a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal para os ventiladores de simples aspiração e 0,75 vezes a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal para os ventiladores de dupla aspiração. A perda dos ventiladores de dupla aspiração é maior porque a velocidade máxima de descarga do ventilador fica no centro e deve ser desviada no lado de fora da curva. Energia deve ser gasta para desviar o fluxo e, consequentemente, uma perda adicional é introduzida. Para a posição C, assume-se uma perda igual a 1,0 vez a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal, tanto para os ventiladores de simples quanto para os dupla aspiração. Nestes ventiladores, a velocidade máxima de descarga fica no lado oposto da curva. A redistribuição de fluxo resultante gera perdas altas. Esta posição é a mais desfavorável das quatro. Para a posição D, assume-se uma perda igual a 0,9 vezes a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal para os ventiladores de simples aspiração e 0,75 vezes a pressão dinâmica correspondente à velocidade de descarga nominal para os ventiladores de dupla aspiração. O ventilador de simples aspiração tem sua velocidade de descarga máxima no lado oposto àquele que é normal para uma curva. Consequentemente, a redistribuição de velocidade nesta situação resulta em uma perda mais alta do que para os ventiladores de dupla aspiração, onde a velocidade de descarga máxima está centrada como na posição B. Estes fatores de perda são somente aproximados, porém eles realmente estabelecem um nível de perda adequado para fins de projeto. Os ventiladores são frequentemente instalados em caixas retangulares também chamadas de “gabinetes". Ventiladores de gabinete, com frequência, possuem dois ventiladores descarregando para dentro de um mesmo duto por meio de uma conexão bifurcada. A Fig. 8 mostra as exigências para a conexão bifurcada, a fim de que o ventilador alcance o desempenho do catálogo. Deveria haver um duto reto de 1,5 diâmetros equivalentes de comprimento antes da transição, com um ângulo de convergência de, no máximo, 30º em cada lado. Se estes parâmetros de projeto não puderem ser atendidos, a descarga do ventilador é tratada como se fosse uma descarga livre para dentro de um plenum, e as perdas já explicadas são então usadas.
MODULAÇÃO DO DESEMPENHO DO VENTILADOR
Alguns sistemas de ventilação têm exigência de capacidade variável
durante a operação, tais como sistemas de volume de ar variável,
enquanto outros têm exigências de pressão variável; tanto a vazão
quanto a pressão são alterados, com frequência, durante a operação. A
fim de acomodar estas variações, alguma forma de modulação de
desempenho do ventilador é exigida.
O tipo de modulação tipicamente usada em aplicações com dutos são:
(a) Controle do volume de ar na voluta
(b) Dampers de aspiração
(c) Dampers de descarga
(d) Registro radial de aspiração
(e) Modulação da rotação
Controle do Volume de Ar na Voluta
Isto é discutido sob o título "Instabilidade do Sistema, Instabilidade do
Ventilador e Paralelismo". Dampers de volume na voluta às vezes são
usados em pequenos ventiladores como um meio de ajustar
rapidamente o fornecimento de ar. Entretanto, este não é considerado
um bom meio de controle de capacidade. O rendimento é reduzido, e a
própria natureza do controle do volume de ar na descarga faz com que
seja difícil operar, automaticamente, a partir de um dispositivo sensor de
pressão estática.
Assim, embora o damper de volume na voluta sirva um propósito útil
de controlar o efeito de paralelismo de ventiladores, não é
recomendado para modulação de capacidade.
Dampers de Aspiração
O objetivo principal dos dampers de aspiração é evitar o retorno e a
circulação de ar quando a unidade é desligada.
Os dampers de aspiração meramente adicionam resistência ao
sistema, causando uma mudança correspondente na pressão estática
do ventilador e variando a vazão.
Há duas desvantagens básicas referentes aos dampers de aspiração.
Permitem pouca modulação de capacidade sem forçar o
ventilador a operar em uma parte instável de seu intervalo de
desempenho.
Uma vez que eles são frequentemente montados na frente de uma
abertura de ar externa ou na frente de uma série de serpentinas,
são muito maiores no tamanho do que a aspiração do ventilador.
Portanto, o diferencial de pressão estática através do damper é
distribuído em uma grande área.
Devido a essa segunda desvantagem, deve-se tomar cuidado a fim de se
certificar de que o ventilador não é capaz de produzir uma pressão estática
suficiente para empenar ou ruir os dampers.
O diferencial de pressão estática através da maioria dos dampers de
aspiração usados nas "air handling units" (AHU) numa central de ventilação
não deve exceder 1000 Pa, ao todo.
Se o ventilador for capaz de desenvolver uma pressão estática maior do que
essa na RPM operante, deve-se tomar cuidado para assegurar que os
dampers de aspiração não possam ser fechados enquanto o ventilador
aproximadamente 25 % nestas condições.
Independentemente dessa economia, o registro radial é útil para a redução
de capacidade em ventiladores centrífugos grandes que exijam mais de 100
Cv, os quais são providos de acionamento direto. Isso resulta da dificuldade
em se usar acionamentos de velocidade variável como correia em V, em tais
ventiladores grandes.
Há três desvantagens em se usar registros radiais de aspiração para
modulações de capacidade:
O ventilador pode ser forçado a operar num intervalo instável de
funcionamento. Isto deve provavelmente ocorrer quando ele é usado
para modular um sistema de pressão estática constante.
O ruído e a vibração resultantes são conhecidos por sacudirem todo
um andar.
A redução de capacidade também ocorre quando as pás estão na
posição totalmente abertas.
Modulação da Rotação
A variação de rotação nos ventiladores pode ser realizada de diversas
maneiras, incluindo: motores de multivelocidade; transmissões
hidráulicas; redutores mecânicos de velocidade; e dispositivos de estado
sólido (inversores de frequência).
Nos dispositivos de estado sólido o controle deve estar intimamente
associado ao motor para operar apropriadamente.
Deve-se tomar cuidado ao usar esse tipo de modulação em um sistema que
requeira pressão estática constante no ventilador, na medida em que a
pressão estática no ventilador se reduz proporcionalmente ao quadrado
da redução de RPM.
