7. ENTILADORES INTRODUÇÃO eniladores são máquinas de fluxo geradoras que ransmiem a energia mecânica recebida do eixo ara o fluido (gás). Seu funcionameno é similar às bombas, sendo a rincial diferença a de que o fluido que recebe energia é um gás. São usados em sisemas de venilação e êm a função de conduir os gases enre dois ambienes, reservaórios, equiamenos, disosiivos, ec. Além dos sisemas de venilação, odem ser alicados na movimenação de ar ambiene (veniladores de coluna, de eo, ec), no conrole de emeraura e umidade ara conforo, no conrole de conaminanes, enre ouros. Sisemas de venilação alicados no condicionameno de ar (refrigeração, aquecimeno, exausão, filragem, renovação, diluição de oluenes, ec) em ambienes residenciais, comerciais e indusriais consiuem grande are das unidades em uso. Os veniladores usados nessas insalações são, geralmene, de baixa ressão, iso é, não ransferem energia suficiene ara imor uma variação areciável de densidade do fluido de rabalho (gás). Além disso, o escoameno neses sisemas em velocidade relaivamene baixa. Sob essas condições o escoameno do ar (e ouros gases) ode ser raado como escoameno de um fluido incomressível, o que facilia basane a análise e a orna similar à do escoameno de líquidos em ubulações. CAMPOS DE APLICAÇÃO Exise uma amla gama de veniladores que odem ser usados em um esecro grande de alicações, o que orna difícil definir as melhores máquinas ara cada caso, sendo que em alguns desses vários ios odem ser usados. Pode-se ver na Figura 7. a faixa de uiliação de cada um deles. Figura 7. Camo de alicação de veniladores e comressores (ENN, 006,.0) Para efeio de nomenclaura, será denominado venilador (fan) a máquina que rabalha com gás onde a aleração da densidade enre a admissão e descarga é ão equena que o gás ode ser considerado um fluido incomressível (diferenças de ressão aé 0kPa ou 000 mmca). O comressor (comressor) ambém rabalha com gás, orém a aleração da densidade é significaiva e não ode ser desreada. Pode-se denominar ainda de sorador (blower) a máquina que rabalhe numa faixa de diferença de ressão enre admissão e descarga da ordem de 0 a 00 kpa (000 a 0000 mmca). 7-
A ASME (American Sociey of Mechanical Engineers) limia o camo corresondene aos veniladores aos equiamenos que gerem um acréscimo máximo de 7% na massa esecífica do ar em sua saída. Considerando o rocesso isenróico: k v k ce ce. Diferenciando a equação acima: k d ce.k. d Dividindo a segunda equação ela rimeira d k d Suondo a ressão osférica de 0.00 [Pa], a raão de calores esecíficos (k) ara o ar de,4 e uma variação de massa esecífica (dρ/ρ) de 7%: k k 000.,4.0,07 997,4[ Pa],0[ mca].000[ mmca] Confirmando que a classificação inicial dos veniladores esá de acordo com o que reconia a ASME. Classificação dos eniladores As formas de classificação dos veniladores variam basane, odem ser classificados de acordo com a forma do roor, formas das ás, número de roores, enre ouros. A seguir são exemlificadas algumas classificações. Quano à forma do roor Cenrífugos (radiais): a arícula gasosa em rajeória sobre um lano raicamene normal ao eixo ( Figura 7.). O fluxo de gases é direcionado ara uma única saída. O moor é ligado direamene ao roor ou ligado a ese or meio de olias/correias; élico-cenrífugos: arícula em rajeória em suerfície de revolução cônica cuja gerari é uma linha curva; Axiais: a rajeória da arícula é aralela ao eixo do roor (Figura 7.). São os mais comuns ara uso residencial, venilação em comuadores, enre ouros. No caso a não há duo de venilação. No caso b o venilador esá no duo, e o venilador é dio do io ubo axial, e no caso c além do duo há aleas (fixas) ara direcionar o movimeno aós o roor, o que melhora o rendimeno, nesse caso o venilador é chamado de vane axial. Figura 7. eniladores axiais Figura 7. eniladores radiais h://www.msc.eng.br/fldec/odiv_ven_0.shml h://www.msc.eng.br/fldec/odiv_ven_0.shml 7-
Quano à forma das ás em veniladores cenrífugos As formas de ás uiliadas em veniladores cenrífugos são mosradas na Figura 7.4 e suas caracerísicas são descrias a seguir: Pás radiais reas: venilador robuso; movimena grandes cargas de arículas (em susensão); rabalho esado; e rendimeno baixo. É aresenado na Figura 7.4, iem a. Pás inclinadas ara rás (curvas): aresenado na Figura 7.4(b) é usado ara gases limos; silencioso; bom rendimeno; oência auo limiada; e ala ressão. Pás curvadas ara frene: mosrado na Figura 7.4(c), usado ara ala ressão; bom rendimeno. Permie vaões mais alas com menores diâmeros. Não é adequado ara gases com arículas abrasivas ou maerial egajoso. Pás curvas de saída radial: Mosrado na Figura 7.4(d). Usado ara ala ressão e grandes vaões. Bom rendimeno. Pás erfil de asa: mosrado na Figura 7.4 (e). Usado ara ar limo, baixo nível de ruído, em bom rendimeno. Figura 7.4 - Forma de ás de roores radiais Segundo o número de enradas de asiração do roor Simles asiração Dula asiração Segundo o número de roores Simles eságio ( roor) Dulo eságio ( roores no mesmo eixo) Quano à ressão Baixa: aé 00 mm O Média: 00 a 800 mm O Ala: 800 a.500 mm O Muio Ala:.500 a 0.000 mm O Obs. o aumeno de ressão rovocado elos veniladores na maioria dos sisemas de refrigeração e ar condicionado é geralmene inferior a 00 mm O. h://www.msc.eng.br/fldec/odiv_ven_0.shml 7-
A Tabela 7. mosra alguns veniladores e suas caracerísicas. Nesa abela os sub índices dos raios indicam o raio de enrada (4) e o raio de saída (5). Tabela 7. Tio, nome e caracerísicas de alguns veniladores Tio Nome Nr. de Caracerísicas Conhecido or eságios Radial Cenrífugo Baixa ressão: ~ 50 mm O Cenrífugo R 5 /R 4, a, Radial Cenrífugo Média ressão: ~ 50 mm O Cenrífugo R 5 /R 4, a,6 Radial Cenrífugo Ala ressão: 50 ~ 750 mm O Sorador (Blower) R 5 /R 4,6 a,8 Radial Cenrífugo > Δ aé 00mca, aé roores em série, R 5 /R 4 aé 4. Comressor ou urbocomressor Axial Axial hélice simles / movimenação de ar ambiene, elicoidal venilador de eo, ven. de coluna. Axial Axial carcaça ubular envolve roor único. Tubo-axial Axial Axial > Δ aé 0 mm O Turbocomressor PROPRIEDADES DO AR iscosidade cinemáica (ν) Como a maioria das alicações são a ressões róximas à osférica, bem abaixo das ressões críicas, a viscosidade ode ser considerada como indeendene das variações de ressão, sendo função somene da emeraura. Massa esecífica (ρ) o T - Temeraura do ar [ C] 6 ( 0, T ) 0 (7.) viscosidade cinemáica [ m s ] RT T Temeraura absolua do ar [ K ] Pressão absolua do ar [ Pa] Massa esecífica [ kg / m ] Rar 87[ J / kg. K] - Consane do gás (ar) (7.) iscosidade absolua (μ) - iscosidad e absolua [ kg m s ]. viscosidade cinemáica [ m s ] (7.) massa esecífica [ kg m ] Condições adrão do ar A emeraura de 0ºC a ressão osférica ao nível do mar é de 0.00 [Pa], a massa esecífica do ar é de, [kg/m ] e a viscosidade cinemáica de,5.0-5 [m /s]. 7-4
CONSIDERAÇÕES SOBRE A ENERGIA Equação de Bernoulli Anes de quanificar as rocas energéicas que ocorrem nese equiameno, será feia uma ráida revisão da equação de Bernoulli, ara dar as bases ara usar al equação na forma mais aroriada a gases. A equação de Bernoulli ode ser obida a arir da alicação da ª lei de Newon a uma arícula se movendo ao longo de uma linha de correne, considerando: Fluido invíscido: μ=0 Conduividade érmica (k) : k=0 Q=0 Forças que agem sobre o fluido: gravidade e ressão Regime ermanene Fluido incomressível Avaliado sobre uma linha de correne Alicando a ª lei de Newon a uma arícula de fluido se deslocando sobre uma linha de correne, sujeio a forças de ressão e do camo graviacional, chega-se à equação de Bernoulli, dada or; consane O rimeiro ermo da equação é a ressão esáica (), al ressão em ese nome or ser considerada como se fosse medida or um observador que se move com o escoameno. Reresenado na Figura 7.5, ela coluna h de fluido, a ressão esáica no ono é dada or = +γh. O segundo ermo da equação é a ressão dinâmica. E finalmene o erceiro ermo esá relacionado à ressão hidrosáica. A soma de odas esas ressões é chamada de ressão oal, dada or: T Ou seja, a equação de Bernoulli indica que a ressão oal é consane ara a arícula fluida que se desloca sobre uma linha de correne, em escoameno invíscido, regime ermanene, fluido incomressível e sem ganho ou erda de energia. Figura 7.5 reresenação da ressão esáica e ressão de esagnação O ono da Figura 7.5 indica um ono de esagnação. Considera-se que o fluido que assar elo ono será levado à velocidade ero no ono. Comarando o manômero em ao manômero em ode-se ver que há diferença de ressões, se a ressão em é denominada ressão esáica, em será dia ressão de esagnação e será obida uiliando Bernoulli. Suondo o fluido seguindo uma linha de correne enre e e sendo desacelerado aé =0 no ono ( =0), enão: 7-5
E a ressão de esagnação é dada em sua forma mais geral or: esagnação esáica ressão dinâmica Se em deerminado ono do escoameno a arcela relaiva à ressão hidrosáica é ero, enão nese ono a ressão oal é igual à ressão de esagnação. A Figura 7.6 mosra como odem ser medidas as ressões esáica, oal (ou esagnação) e dinâmica. Insalação de referência Figura 7.6 Medição das ressões esáica, oal e dinâmica As equações obidas ara os veniladores erão como referência a Figura 7.7, onde as câmaras odem reresenar salas, câmaras frigoríficas, ou a rória osfera, endo assim uma deerminada ressão absolua. aão (Q) Figura 7.7 Esquema de uma insalação com venilador A vaão de um venilador é o volume de ar deslocado na unidade de emo. Alura de elevação (), ou variação de ressão oal (Δ), ou ressão oal do venilador() A alura de elevação () é a diferença enre as energias do ar na saída e a na enrada do venilador. Usando o rinômio de Bernoulli, saída enrada (7.4) Ou seja, a alura de elevação é a variação da ressão oal, Δ(), enre a enrada e a saída do venilador. 7-6
7-7 As ressões usadas são as ressões absoluas: (7.5) A relação enre as ressões osféricas em dois onos é dada ela hidrosáica or: Resulando ara a equação e variação da ressão oal: (7.6) A Figura 7.8 mosra como medir a variação de ressão oal do venilador. Figura 7.8 Leiura da variação de ressão oal do venilador (Fone: Clear e Nogueira, 009,.88) Para o caso esecífico da admissão do venilador esar abera ara a osfera, considerando a velocidade de admissão nula e a ressão osférica, ambém nula (manomérica), enão: (7.7) Designada ressão oal do venilador. A ressão oal, or definição, é a soma da ressão esáica na saída do venilador com a ressão dinâmica ambém na seção de descarga do venilador. Pode ser exressa em comrimeno de coluna de água (milímero ou mero, mm O ou m O) se (7.8) saída saída 0 0 ) ( CNTP ar água
A ressão oal, considerada no formao da Eq.(7.8) reresena a quanidade de energia esecífica que o venilador ransfere ao fluido de rabalho, sob ceras condições de referência. Tais condições de referência alicamse ao fluido de rabalho e à insalação do venilador. O fluido de rabalho adrão é o ar, à ressão de 0.00 N/m ( ), à emeraura de 0ºC, que em a densidade de, kg/m. A condição de insalação imõe que a energia cinéica na enrada no venilador seja nula ( = 0). Noe que, ao imor uma energia cinéica nula na enrada do venilador, a ressão oal define a máxima energia ossível que o venilador ransfere ao fluido de rabalho. Essa definição da ressão oal do venilador como a máxima energia ransferida elo venilador ode er sido moivada ela forma das monagens de sisemas de venilação ara aquecimeno e resfriameno de ar, onde o venilador é insalado na exremidade inicial do sisema de venilação (Figura 7.9). Imediaamene aós a descarga do venilador (anes da serenina), iso é, na seção inicial do sisema de venilação. A energia do fluido escoando é a soma das energias cinéica e de ressão. Essa quanidade de energia, evidenemene, é igual à variação das energias cinéica e de ressão enre a enrada e a saída (o ambiene onde o ar é insuflado) do sisema de venilação, mais a energia dissiada como erda de carga ao longo do duo de insuflameno. Água fria (enrada) 'Fan-coil' (venilador + serenina) Duo de insuflameno Ar exerno Ar frio / ambiene (saída) Figura 7.9 Esquema de insuflameno em um sisema de ar condicionado cenraliado 4 Conclui-se enão que: a ressão oal é a energia esecífica, obida a arir da equação da energia, se as condições de referência são aendidas (energia cinéica na enrada nula, ressão absolua na enrada = 0.00 N/m, e massa esecífica do ar de, kg/m ), e se a comressão do ar no venilador ocorre ara um fluido de rabalho que ode ser modelado como incomressível; e a curva que reresena a relação enre a ressão oal e a vaão descarregada, quando o venilador oera em roação consane, é denominada curva caracerísica do venilador. É imorane observar que devido a comressibilidade dos fluidos com os quais os veniladores rabalham, a massa esecífica ode variar de uma seção ara oura. Os faores que influenciam nesa variação são: a emeraura e a velocidade. Pressão de velocidade do venilador (P) É a ressão dinâmica na saída do venilador, considerando sua velocidade média. Dada or: P (7.9) 4 Fone: França, 004 7-8
Pressão esáica do venilador (PE) É a diferença enre a ressão oal do venilador e a ressão de velocidade do venilador. É dada or PE P (7.0) A Figura 7.0 mosra como medir a ressão esáica do venilador. Figura 7.0 Pressão esáica do venilador (Fone: Clear e Nogueira, 009,.88) Alura de carga esáica (PE) Também chamada de carga esáica, ressão esáica, ou ainda ressão manomérica oal. Reresena o ganho de energia de ressão do fluido desde a enrada aé a saída do venilador. É dada or, PE (7.) Alura de carga dinâmica () Também chamada de carga dinâmica, ou ressão dinâmica. Reresena o ganho de energia cinéica do fluido desde a enrada aé a saída do venilador. É dada or g (7.) g Perda hidráulica (Jh) São as erdas que ocorre denro do venilador or ario e urbilhonameno. J (7.) h 7-9
As aluras de elevação () e eórica ( ), ara número finio, de ás ode ser relacionadas elo rendimeno hidráulico Para veniladores h (7.4) u 5 Cu5 u4 Cu4 (7.5) g Alura mori de elevação ( m) Nem oda energia fornecida elo moor ao eixo do roor é ransferida ara o fluido (alura eórica de elevação). Uma are dela é erdida, mecanicamene, nos mancais, ransmissão or correias, e ouras. Essa erda é denominada erda mecânica (J m ). A alura mori de elevação ( m ) é dada or m J m (7.6) As aluras mori de elevação ( m ) e a eórica ( ), ara número finio de ás, odem ser relacionadas elo rendimeno mecânico. Rendimeno volumérico m m (7.7) O rendimeno volumérico é dado or Q Q q i (7.8) Poência idráulica P h Q Q. P (7.9) Poência Efeiva Também chamada de oência mori, mecânica, ou ainda, brake horse-ower (BP), é a oência fornecida elo moor ao eixo do roor do venilador. Se relaciona com a oência hidráulica aravés do rendimeno oal (η ). P ef Ph (7.0) m h (7.) 7-0
EXERCÍCIOS. Calcule a diferença de ressão esáica (Δ), em mmg, fornecida or um venilador da Fig. 6 e ambém sua oência efeiva, sabendo que: a. Q=50 m /s b. L xb = x,5 m c. D = m d. Rendimeno oal de 80% Res. Δ=,86 mmg; P ef =.47,6C Figura 6. Um venilador asira ar de um forno enregando uma vaão de 860 m /h a 6ºC conra uma ressão esáica de 50 Pa. Nesas condições oera com 796 rm e requer 9,9 kw. Considerando que o forno sofre uma erda de calor e começa a oerar a 0º C. Deermine nesas condições de oeração a ressão esáica e oência absorvida elo venilador.. Um venilador rabalha com ar a 0º C com uma vaão de 0.000 m /h. Deermine a oência hidráulica sabendo que a alura de elevação é igual a 50 mm 0. Resosa: P h =.75 kw 4. Num venilador cenrífugo é medida a ressão esáica na enrada da boca de asiração regisrando-se uma ressão igual a -7 mm 0 (negaivo). A ressão esáica na saída da boca de insuflameno é medida sendo igual a 0 mm 0. A ressão dinâmica na enrada do venilador é igual a 5 mm 0 e a ressão dinâmica na boca de saída do venilador é igual a 5 mm 0. Deerminar a ressão oal do venilador. Resosa: Δ()=7 mm O 5. Um sisema de venilação aresena uma erda de carga equivalene a 00 mm 0. Considerando que a velocidade na saída do venilador é igual a 0 m/s. Deermine a alura de elevação em mcar e mm 0 e a ressão oal do venilador. Considere ar a 0º C. Resosa: =88,44 mcar =06,9 mm O =.04 Pa 6. Um venilador de ar condicionado esá oerando a uma velocidade de 600 rm com variação de ressão oal de 500 Pa e exigindo oência de 6,5kW. Esá liberando 9.000 m /h de ar nas condições adrão. Para rabalhar com uma carga érmica de ar condicionado maior que a lanejada originalmene é necessário que o sisema rabalhe com.500 m /h. Deerminar as novas condições de oeração do venilador. Resosa: n=679 rm =640 Pa P= 9.4 kw REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CLEZAR, C.A.; NOGUEIRA, A.C. enilação Indusrial. ª Ed. Florianóolis: Ed. da UFSC, 009. FRANÇA, F.A. Aosila: Sisemas fluidomecânicos 5. Caminas: Unicam, 004. ENN, E.A.L. Máquinas de fluido. ª ed, Poro Alegre: UFSM, 006. MACINTYRE, A.J. enilação indusrial e conrole da oluição. ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 990. 5 h://www.fem.unicam.br/~em7/sisflu0.hml 7-