APOSTILA VENTILADORES (2011)

PUCRS- Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica

Sistemas Fluidomecânicos

Sistemas de Ventilação Industrial

VENTILADORES

VENTILADORES INDUSTRIAS

Material Preparado por Prof. Jorge Villar Alé LSFM – FENG - PUCRS www.em.pucrs.br/lsfm

Agosto 2011

Sistemas de Ventilaçâo Industrial

Ventiladores

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1.

Sistemas Fluidomecânicos

VENTILADORES .................................................................................................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 1.4

2.

CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................................................. 3 VENTILADOR COM PÁS CURVADAS PARA TRÁS.................................................................................... 5 VENTILADOR COM ALETAS CURVADAS PARA FRENTE. ...................................................................... 6 VENTILADOR CENTRÍFUGO COM PÁS RADIAIS ...................................................................................... 7

VENTILADORES AXIAIS ..................................................................................................................................... 8 2.1 2.2

VENTILADOR TUBO-AXIAL ......................................................................................................................... 8 VENTILADOR AXIAL PROPULSOR.............................................................................................................. 8

3.

PROPRIEDADES DO AR AR ................................................................................................................................ 9

4.

POTÊNCIAS E RENDIMENTOS EM VENTILADORES ................................................................................ 10 POTÊNCIA ÚTIL: ............................................................................................................................................................ 10 POTÊNCIA TOTAL DE ELEVAÇÃO:.................................................................................................................................. 11 POTÊNCIA MOTRIZ (MECÂNICA OU EFETIVA) ............................................................................................................... 11 POTÊNCIA DO VENTILADOR (FORNECIDA NOS CATÁLOGOS DE FABRICANTES) ............................................................. 11 RENDIMENTOS EM VENTILADORES ................................................................................................................................ 11 COEFICIENTE ADIMENSIONAIS....................................................................................................................................... 12 ROTAÇÃO ESPECIFICA CARACTERÍSTICA - NS ................................................................................................................ 12

5.

ROTEIRO SIMPLIFICADO PARA DIMENSIONAMETO DE VENTILADOR CENTRÍFUGO ............... 13

6.

PRESSÕES EM VENTILADORES...................................................................................................................... 14

7.

MEDIÇÕES UTILIZANDO TUBO DE PITOT.................................................................................................. 15

8.

DEFINIÇÃO DE PRESSÕES EM VENTILADORES ....................................................................................... 16

9.

LEVANTAMENTO DA CURVA CARACTERÍSTICA DE VENTILADORES ............................................. 17

10.

LEIS DE SEMELHANÇA ................................................................................................................................. 18

EFEITO DA TEMPERATURA E ALTITUDE NO PONTO DE OPERAÇÃO DOS VENTILADORES ................................................ 18 11.

VENTILADORES CONECTADOS EM SÉRIE ............................................................................................. 19

12.

VENTILADORES CONECTADOS EM PARALELO ................................................................................... 19

13.

SELEÇÃO DE VENTILADORES .................................................................................................................... 20

INFORMAÇÃO SOBRE VENTILADORES............................................................................................................... 21 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................................................... 21 ANEXO - TABELAS ................................................................................................................................................... 22 Tabela A -1 Propriedades do Ar a Pressão Atmosférica .......................................................................................... 22 TABELA A - 2 Fator de Correção das Massa Especifica ........................................................................................ 23

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1. VENTILADORES • • • • • • • • • •

Turbomáquinas (geratrizes ou operatrizes) utilizadas para deslocamento de gases. Os ventiladores são utilizados para movimentar o gás. Os compressores são utilizados para aumentar a pressão. Contam de um rotor com um conjunto de pás que permitem por um motor (elétrico) a transformação de energia mecânica do rotor em energia cinética e energia potencial. A energia cedida pelo ventilador é absorvida pelo fluido escoando em dutos vencendo as resistências. São utilizados nas industrias de ventilação, climatização e em processos industriais. Na industria utilizados em siderúrgicas nos altos-fornos, em transporte pneumático. Na agroindustria como sopladores para secagem de grãos. Nos ventiladores os gases são considerandos incompressíveis. Nos compressores pela alta relação de compressão são tratados como gases compressíveis. A ASME considera como limite para uso de ventiladores quando a relação de compressão é de 1,1 ou quando a variação da massa específica supera 7% . Acima disto considera-se o uso de compressores. A ISO considera uma relação de compressão limite de 1,3. As grandezas característica dos ventiladores são: a capacidade ou vazão Q, pressão desenvolvida (H), rotação n(rpm), Diâmetro do rotor (D2,) e rendimento (η).

1.1 CLASSIFICAÇÃO Os ventiladores, assim como as bombas, são classificados, pelo tipo de rotor, número de estágios, nível de pressão e detalhes construtivos. Quanto ao tipo de rotor os ventiladores são classificados como ventiladores radiais (centrífugos) e axiais. Tabela 1. Classificação de ventiladores

Tipo Ventilador Radial ou Centrífugo

No Estágios 1

Nome Ventilador Centrífugo

Média pressão: até 250 mmH2O, D2/D1 = 1,3 ~ 1,6

Ventilador Centrífugo

Alta pressão: Até 250 ~ 750 mmH2O, D2/D1 = 1,6 ~ 2,8

Soprador

∆p até 10 kgf/cm2 (100mtsH2O) Até 12 rotores em série, D2/D1 até 4. Hélice simples para movimentação de ar ambiente, ventilador de teto, ventilador de coluna. carcaça tubular envolve rotor único. ∆p até 3,0 kgf/cm2 (30mtsH2O)

>1

Ventilador Axial

Características Baixa pressão: Até 150 mmH2O, D2/D1 = 1,1 ~ 1,3

1

>1

Compressor ou Turbocompressor Ventilador Helicoidal Tubo-axial

Turbocompressor Fonte: material da Unicamp

Tabela 2. Classificação

de Ventiladores em Função da Pressão

Pressão Baixa Pressão Média Pressão Alta Pressão muito alta

Até 200mm H2O. 200 a 800mm H2O. 800 a 2.500 mm H2O. 2.500 a 10.000 mm H2O.

O aumento de pressão provocado pela maior parte dos ventiladores utilizados em sistemas de refrigeração e ar condicionado é geralmente inferior a 300mmH20.

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Tabela 3. Característica dos ventiladores Ventiladores Centrifugos Pás inclinadas para trás

Pás retas inclinadas para trás

Pás Radiais

Pás curvadas para frente

Ventiladores Axiais Propeller

Características Principais Alto rendimento Sistemas de Aquecimento Ventilação Ar condicionado Ar limpo

Rendimento um pouco inferior Mesma aplicações Usado em instalações industrias com ambientes corrosivos ou abrasivos

Mais simples Menos eficiente Transporte de Materiais em Plantas inudstriais Tambem utilizado em aplicações de alta pressão.

Rendimento inferior que os anteriores (pás voltadas para trás) Contrução leve e de baixo custo Sistemas de aquecimento Ventilação Ar condicionado Fornalhas domesticas Centrais de ar condicionado Aparelhos de ar condicionado de janela. Características Principais Baixo rendimento Hélice de construção barata Aplicações de baixa pressão Circuladores de ar Ventiladores de paredes

Tuboaxial

Algo mais eficiente que o propeller Trabalha com maior pressão que o propeller Sistemas de aquecimento Ventilação e Ar-condicionado de baixa e media pressão. Aplicações industrias como fornos, cabines de pintura exaustão de gases

Vaneaxial

Pode trabalhar com media e alta pressão Bom rendimento Sistemas de aquecimento Ventilação e Ar-condicionado Vantajosos para instalação compacta Ventilador esta em linha com os dutos.

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1.2 VENTILADOR COM PÁS CURVADAS PARA TRÁS • • • • • • • • • •

É o mais eficiente entre os centrífugos. Produz menor ruído. Tem custo mais elevado que o de rotor radial. Não é apropriado para movimentar gases com particulado sólido, já que podem desgastar as pás com rapidez. Muito utilizados em sistemas de condicionamento de ar. Os modelos mais sofisticados e de maior potência têm pás com perfil aerodinâmico sendo mais eficientes e produzindo menos ruído. Apresenta uma maior eficiência e uma auto-limitação de potência devido ao tipo de curva de potência. Curva de potência: o valor máximo ocorre em um ponto operacional equivalente a 70% ~ 80% da vazão máxima. Não apresenta problemas de sobrecarga por projeto incorreto ou operação inadequada do sistema. Possuem de 10 a 16 pás.

Pressão total [mH2O, inH2O, etc]

Potência [Kw, Hp, etc]

Eficiência (%)

Vazão [m3/h, m3/s, cfm, etc]

Figura 1. Ventilador centrífugo de rotor com pás curvadas para trás

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1.3 VENTILADOR COM ALETAS CURVADAS PARA FRENTE. • • • • • • • •

Utilizado com gases isentos de particulado sólido. Adequado em sistemas onde se deseja minimizar a influência de alterações de dispositivos, como os ‘dampers’ de controle de vazão. Ramo instável da curva característica, na faixa das baixas vazões. A potência cresce constantemente com o aumento da vazão. Requer um grande cuidado na determinação do ponto de operação do sistema e na seleção do motor de acionamento, que pode ‘queimar’ se a vazão resultante for muito superior àquela projetada. Um tipo muito comum de ventilador centrífugo radial é o Sirocco, que tem rotor largo e muitas aletas curtas. Para uma dada vazão e uma certa pressão total, o Sirocco é o menor entre os ventiladores centrífugos, operando em uma rotação mais baixa (o que é importante para minimizar a geração de ruído). Sua eficiência, entretanto, é menor que a do centrífugo de aletas curvadas para trás.

Ocupa pouco espaço. Utilizado com sucesso em ventilação geral diluidora. Chamado de ventilador sirocco, utilizado em condicionadores de ar compacto, em unidades de tratamento de ar. Apresenta grandes variações da vazão e da potência em função da pressão. • • • • •

Podem ter de 24 a 64 pás. Vazões típicas (10-2000m3/min) Pressões típicas 10 a 125 mmH20 Eficiência - 45 a 60% Nível de ruído 40dB

Pressão total [mcH2O, inH2O, etc]

Potência [Kw, HP, etc]

Eficiência (%)

Vazão [m3/s, m3/h, cfm, etc]

Figura 2. Ventilador centrífugo de rotor com pás curvadas para frente

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1.4 VENTILADOR CENTRÍFUGO COM PÁS RADIAIS • • • • • • • • • • •

Ventilador robusto. Grandes variações da vazão e potência em função da pressão. Grande pressão dinâmica. Aplicações: Tiragem local, torres de resfriamento, suprimento e descarga de ar. É um ventilador de baixa eficiência devido ao ângulo de saída β2, com alta velocidade de saída, menor grau de reação, alta dissipacão viscosa nas pás e difusor. Apropriado para movimentar grandes cargas. E um tipo comum e geralmente de custo mais baixo. Desenvolve pressões razoavelmente elevadas (até cerca de 500 mmH2O). Podem operar em altas temperatuturas Tem capacidade de aspirara ou insuflar material com particulado sólido. Estas características induzem também um nível elevado de ruído o que também é um demérito para o equipamento Note que a curva característica é ‘bem comportada’, que a potência deste rotor é sempre crescente com a vazão, e que sua eficiência máxima ocorre para valores relativamente baixos (< 50% da vazão máxima).

Pressão total [mmH2O, inH2O, etc]

Potência [Kw, HP, etc]

Eficiência (%)

Vazão [m3/h, m3/s, cfm, etc]

Figura 3. Ventilador centrífugo de rotor com pás radiais

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2. VENTILADORES AXIAIS Nos ventiladores axiais o gás é aspirado pelo bocal de entrada e saí por um difusor de saída. O conjunto fica no interior de corpo tubular. São conhecidos como tuboaxial. Existem aqueles que apresentam guias de entrada ou de pre-rotação para direcionar o fluxo paralelamente ao eixo do duto e eliminar a rotação do fluxo. Um ventilador com guias denomina-se vaneaxial. O controle da vazão é realizado por aletas na entrada ou por palhetas reguláveis. As pás tem formato aerodinãmico. Como outras máquinas de fluxo axial, são utilizados em sistemas que se deseja grandes vazões e baixa pressão.

2.1 VENTILADOR TUBO-AXIAL

• • • •

• •

Em geral os ventiladores axiais são menos eficientes e mais ruidosos do que os ventiladores centrífugos. Constituído de um rotor axial e uma carcaça tubular. O motor pode ser diretamente conectado ao rotor, estando exposto ao escoamento do gás, ou colocado sobre a carcaça, acionando o rotor através de polias e correia. O gás insuflado deixa a carcaça tubular com alta vorticidade, o que impede, algumas vezes, sua aplicação em sistema onde a distribuição do gás é crítica ou exige a aplicação de retificadores de escoamento. Sua curva característica apresenta uma região de instabilidade, e a potência é máxima quando a vazão é nula (a potência máxima é dissipada em recirculação através do rotor). Para aumentar a eficiência utiliza aletas direcionadoras de fluxo fixas internamente ao tubo axial.

Pressão total [mcH2O, in H2O, etc]

M

R

R

Eficiência (%)

Potência [Kw, HP, etc]

M

Vazão [m3/s, m3/h, cfm, etc]

Figura 4. Ventilador tubo-axial, esquema construtivo e curva característica • • • •

Vazões típicas (15 a 1000m3/min) Pressões típicas (0 a 55 mmH20) Eficiência - 50 a 60% (sem pás diretrizes) 50 a 75% (com pás diretrizes) Nível de ruído 50dB

2.2 VENTILADOR AXIAL PROPULSOR Adequado para movimentar grandes quantidades de ar com pequenas pressões. Simplicidade construtiva, e baixo custo. Utilizado na ventilação geral diluidora. • Vazões típicas (10 a 50m3/min) • Pressões típicas (0 a 6 mmH20 • Eficiência - 40 a 50% • Aplicações: unidades de resfriamento e aquecimento, ventilação geral, torres de resfriamento, ventilação exaustora.

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3. Propriedades do ar Ar Viscosidade Cinemática do Ar A viscosidade cinemática é uma propriedade do fluido derivada da viscosidade absoluta a qual por sua vez é função da temperatura. Para aplicações de ventilação industrial, pode-se utilizar a seguinte expressão da viscosidade cinemática (m2/s) em função da temperatura (oC):

ν = (13 + 0,1T )x10 −6

(m2/s)

Massa Especifica do Ar Para analise do escoamento em ventiladores pode-se utilizar a lei de estado para gases perfeitos dada como:

pV = mRT onde p é a pressão absoluta, V o volume ocupado pelo gás, m a massa do gás (kg) , T a temperatura absoluta do ar (K) e R a constante do gás. Para o ar R=287J/kg K. A massa especifica é então dada como:

ρ=

p RT

(kg/m3)

Viscosidade Absoluta A viscosidade absoluta é dada em função das duas variáveis definidas anteriormente.

µ = νρ

(Pa.s)

Em anexo, a Tab A-1, apresenta as propriedades do ar atmosférico para diferentes temperaturas. Condições de ar padrão Como o desempenho dos equipamentos utilizados em ventilação industrial é função do estado termodinâmico do ar é usual apresentá-lo para uma condição padrão, definida por: Temperatura: to=200C (To=293K) Pressão atmosférica a nível do mar (Z=0): Po=101,3 kPa (760 mmHg) Desta forma se obtém: Massa específica ρ0=1,2kg/m3 e Viscosidade cinemática ν0=1,5x10-5 m2/s Fator de Correção da Massa de Específica Tomando como referencia as condições padrão (ρ0, T0,P0 ) podemos definir um fator de correção que permite determinar a massa especifica: fc =

ρ P T0 = ρ 0 T P0

onde (ρ, T,P ) são as condições atmosféricas diferentes das condições padrão. Para pressão barometrica em mmHg e temperatura ambiente (t ) em oC , o fator de correção pode ser determinado pela equação: fc =

P 294 (t + 273) 760

Assim, a massa especifica corrigida ρ = f c ρ 0

onde P é a pressão barometrica local (mmHg). Para condições normais fc =1. Para temperaturas e altitudes maiores que a padrão (to=20oC e Z=0m) o fator de correção fc é menor que 1. A Tabela A-2 dada em anexo, apresenta os valores do fator de correção da massa específica para diferentes altitudes e temperaturas do ar. Sistemas de Ventilaçâo Industrial

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4. Potências e Rendimentos em Ventiladores No fluxo de energia transferido do ventilador para o gás existem diversas formas de dissipação de energia desde a energia inicial do motor que aciona o ventilador até a energia final absorvida pelo fluido. O motor apresenta uma energia motriz (Hm) que deve ser transferida ao rotor. Como o sistema mecânico de acoplamento e transmissão não é perfeito existirá uma dissipação mecânica de energia quantificada como perda mecânica (Jm). A energia efetivamente absorvida pelo rotor é denominada energia de elevação (Ht#) sendo relacionada com a energia motriz pelo rendimento mecânico (ηm). Devido à dissipação de energia no interior do ventilador (por atrito e recirculação de fluxo) a energia do rotor (Ht#) não é transferida totalmente ao fluido sendo as perdas quantificadas como perdas hidráulicas (Jh). A energia transferida do rotor ao fluido é relacionada pelo rendimento hidráulico. Além disto, parte da vazão que entra no ventilador recircula na mesma e escapa por má vedação. Isto quantifica-se considerando um rendimento volumétrico (ηv). A energia realmente absorvida pelo fluido é denominada altura manométrica (Hman) reconhecida como a energia final do fluxo. O rendimento global (ηG) quantifica a relação entre energia final (Hman) (absorvida pelo fluido) e a energia motriz para acionamento do ventilador (Hm).

Jm ηm

JH ηH

Ht#

Hm

Hman

Energia Útil Hman

Figura 5. Relações entre rendimentos e alturas em ventiladores. Potência Útil: Potência adquirida pelo gás na passagem pelo ventilador: Wu = ρgQH u

onde ρ é a massa específica do gás, Q a descarga ou vazão do ventilador, Hu é a altura útil de elevação que equivalente a altura manometrica em bombas (Hman). Representa a pressão total do ventilador expressa em metros de coluna de gás. Considerado dentro do fluxo de energia a altura útil é dada por:

H u = ηh H t # onde ηh é o rendimento hidráulico e Ht# é a energia do rotor para número finito de pás. Para um sistemas de ventilação industrial Hu pode ser dado como: H u = JT +

2 V saida 2g

onde JT é a perda de carga do sistema e Vsaída é a velocidade no duto de saída do gás. Representa à pressão total do ventilador (PTV). Sistemas de Ventilaçâo Industrial

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Potência Total de Elevação: Representa a potência cedida pelas pás do ventilador ao fluido. We = ρgQH e

onde He é a altura total de elevação. Para número infinito de pás (Htoo ) é dada como:

He =

1 (U 2 Cu 2 − U 1Cu1 ) g

Obs: No caso de entrada radial: Cu1=0.

Onde U1 e U2 são as velocidades periféricas na entrada e saída do rotor respectivamente. Cu1 e Cu2 são as componentes da velocidade absoluta do fluido na entrada e saída respectivamente. Para número finito de pás: H t # = µH t∞ onde µ é o fator de deslizamento. Potência Motriz (Mecânica ou Efetiva) W m = ρgQH m

Potência do Ventilador (Fornecida nos Catálogos de Fabricantes) Com H=Hu a altura útil de elevação, a potência do ventilador fornecida pelos fabricantes é dada por: W=

ρgHQ ηG

Se o sistema trabalha com ar, na expressão acima H é dado em metros de coluna de ar (m.c.ar). Quando se trabalha com H em mmH20 deve ser utilizadas as unidade coerentes. Primeiro devemos transformar mmH20 em pressão (Pascal) e depois converter em metros de coluna de ar. P = ρar gHar = ρ H 2 0 gH H 2 0

H ar =

ρ H2 0 H H2 0 ρ ar

(Pa)

(m.c.ar)

Rendimentos em ventiladores

Rendimento Hidráulico ηH =

Wu H man = We H t#

Rendimento Mecânico ηm =

We Wm

ηm =

Ht# Hm

Rendimento Volumétrico.

ηv =

Q Q + Qf

onde Q é a vazão do gás realmente deslocado pela ação do ventilador e Qf a vazão de gás que fica circulando do interior devido a diferenças de pressão que provocam a recirculação interna de uma parcela do gás denominada como vazão de fugas. Rendimento Total ou Global ηG =

Wu Wm

=

H man Hm

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Coeficiente Adimensionais Segundo o valor da rotação específica ns podemos saber o tipo de ventilador mais apropriado para uma determinada condição. O uso de coeficientes adimensionais de pressão e de vazão permitem conhecidos H, Q e n estimar por exemplo qual o diâmetro externo do ventilador e qual será a velocidade periférica. Coeficiente de Pressão ou Altura Especifica

ψ =

gH gH = 2 2 2 U2 n D

Coeficiente de vazão ou Capacidade Especifica

ϕ=

Q Q = 3 nD U 2 R22

Tabela 4. Coeficientes de vazão ψ e de pressão ϕ (Coeficientes de Rateu)

Coeficiente Pressão - ψ Vazão - ϕ

Vent. Centrífugo 0,1 - 0,6 0,7 - 0,3

Hélico-Centrífugo 0,3 - 0,6 0,4 - 0,3

Axial 0,4 - 1,0 0,3 - 0,1

Rotação Especifica Característica - ns • Um ventilador que proporciona uma vazão unitária sob uma altura manometrica unitária recebe o nome de ventilador unidade sendo seu número de rotações denominado rotação ou velocidade especifica ns (rpm). Todos os ventiladores geometricamente semelhante tem um mesmo ventilador unidade cuja forma caracterizará todos os ventiladores da mesma série. n: rotações por minuto do ventilador (rpm) Q: vazão ou descarga (litros/segundo) H 3 / 4 onde n é dado em rpm H: Altura útil (mmH20) que representa a pressão total. s *Os valores de (Q,H) considerados correspondem ao ponto de máximo rendimento.

n s = 16,6

n Q

Na se apresenta uma Tab.5 com valores de ns para diferentes tipos de ventiladores. Tabela 5. Seleção do tipo de ventilador segundo a rotação especifica (rpm) Ventiladores Centrífugos Pás para frente Pás radiais Pás para trás Ventiladores Axiais Em tubo com pás diretrizes Em tubo Hélice aberta

Rotação específica ns (rpm) 3000 a 40.000 11.000 a 70.000 35.000 a 110.000 Rotação específica ns (rpm) 40.000 a 140.000 60.000 a 300.000 100.000 a 400.000

Pela superposição dos valores de ns, na Tab.5 se observa que para uma determinada aplicação podem ser utilizados mais do que um tipo de ventilador.

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5. Roteiro Simplificado para Dimensionameto de Ventilador Centrífugo • •

Conhecido: vazão, rotação, altura útil, rendimentos: Q, ∆PT, n , ηH, ηm Considerar entrada radial α1=900 e pás radiais na saída - β2=900

Figura 6. Ventilador centrífugo Com altura útil e velocidade especifica selecionar tipo de ventilador n s = 16,6 1. Altura teórica para número infinito de pás, simplificada : H t∞

n Q H u3 / 4

U 22 = g

2. Considerar fator de deslizamento igual a 1 (µ=1) 3. Altura teórica para número finito de pás H t # = µH t ∞ 4. Determinar pelo rendimento hidráulico a velocidade U2

ηH =

H man Ht#

desta forma se obtém: U 2 =

gH ηH

5. Determinar o diâmetro do rotor na saída: D2 =

60U 2 πn

6. Velocidade na boca de entrada do corpo do ventilador. C a = 0,25a 0,5 2 gH 7. Diâmetro da boca de entrada do ventilador Da =

4Q πC a

8. Diâmetro da entrada do rotor. Recomenda-se para H