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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias - Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial ANÁLISE DA QUALIDADE DA CONVERSÃO DE ENERGIA EM MÁQUINAS DE FLUXO DE PEQUENO PORTE Robson Leal da Silva (1) (robsonsilva@ufgd.edu.br), Eduardo Santos Andrade (2) (sandrade.eduardo@gmail.com) (1) UFGD- Universidade Federal da Grande Dourados; FAEN – Faculdade de Engenharia/Engenharia de Energia Rodovia Dourados-Itahum, km 12 – Caixa Postal 533 CEP: 79.804-970 Dourados-MS RESUMO: Este trabalho consiste do estudo e avaliação experimental do desempenho em máquinas de fluidos do tipo ventiladores axiais. O equipamento submetido aos ensaios é de pequeno porte, com aplicação em ventilação residencial. Curvas características para o ventilador de mesa ensaiado são apresentadas e identificadas às rotações e vazões nas quais se obtém regiões de eficiências e potência do escoamento máximas. Dentre as referências para realização dos ensaios em bancada, têm-se regulamentos do INMETRO/PBE e normas técnicas ABNT, com algumas adaptações. Foi utilizada, com adaptações, metodologia para realização de ensaios referentes à determinação do coeficiente de eficiência energética para ventiladores de mesa de uso residencial, no âmbito dos regulamentos do PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem. Os resultados obtidos referem-se à eficiência de conversão da energia elétrica em energia do escoamento (eficiência global, %) e ao coeficiente de eficiência energética [(m³/s.W)*d], para cinco vazões ou velocidades de rotação. A aquisição de dados deu-se com dois tipos de anemômetro, fio-quente e hélice. São identificadas as categorias (A, B, C ou D) nas quais se classificam, conforme INMETRO, o ventilador ensaiado possui potência nominal de 160W e diâmetro nominal de 50 cm. PALAVRAS-CHAVE: eficiência energética, mecânica dos fluidos, instrumentação. QUALITY REVIEW OF ENERGY CONVERSION MACHINES IN SMALL STREAM ABSTRACT: This work consists in the study and experimental evaluation of the performance of fluid machinery-type axial fans. The machine tested is small, with applications in residential ventilation. Characteristic curves for the fan tested are presented and identified the rotations and streamflows obtains regions efficiencies and maximum power flow. Among the references for the tests on the benchtop, have regulations INMETRO / PBE and technical standards ABNT, with some adaptations. Was used, with adaptations, the methodology for testing relating to the determination of the coefficient of efficiency for desktop fans for residential use under the regulations of the PBE - Brazilian Labeling Program. The results refer to the efficiency of conversion of electrical energy into energy flow (overall efficiency,%) and the energy efficiency ratio [(m³ / sW) * d], to velocity rotation or five speeds. Data acquisition was with two types of anemometer, hot-wire and propeller. Are identified categories (A, B, C or D) in which they are classified as INMETRO, has tested the fan rated power of 160W and a nominal diameter of 50 cm. KEYWORDS: energy efficiency, fluid mechanics, instrumentation. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2 1. INTRODUÇÃO Este trabalho consiste do estudo e avaliação experimental do desempenho em máquinas de fluidos do tipo ventiladores axiais. A máquina de fluidos ensaiada é de pequeno porte, do tipo ventiladores de mesa, utilizados predominantemente no âmbito residencial e similar, com acionamento elétrico e tensão nominal inferior a 250V monofásico, classificados como classe climática “T” - tropical (NBR 11829, 2008). O modelo ensaiado possui diâmetro nominal da grade externa de 50 cm e potência nominal de 160W, respectivamente, com tensão nominal monofásica (fase-neutra) de 127V, em frequência de 60Hz. Com controle de velocidades através de potenciômetro, usando intervalo médio entre as rotações de aquisição em 200 RPM. Busca-se com este trabalho, aplicar a RAC – Requisitos de Avaliação de Conformidade INMETRO (2012) para os critérios de eficiência energética do equipamento ensaiado. Que incorpora a análise de modelos de ventiladores de mesa com diâmetro nominal entre 30 cm e 60 cm. O ventilador ensaiado se enquadra na categoria de máquinas de fluxo axial de pequeno porte, onde as variações de pressão dinâmica são insignificantes. Portanto é razoável considerar a massa específica do ar invariável no campo do escoamento, 0 . A pressão estática pode ser obtida a partir da medição da pressão ambiente local. A metodologia do INMETRO (2012) estabelece que o fluxo a ser analisado deve estar em regime constante, onde se leva em conta um percentual de variação das velocidades do fluxo que não deve ultrapassar os 5% 5%V . Além disso, o laboratório deve ter os parâmetros ambientais dentro de uma faixa pré-determinada, com temperatura ambiente entre 20 – 25 °C e umidade entre 60 – 90 % (INMETRO, 2012). Estabelecendo o referencial para o ambiente controlado o local que se enquadrar em todos os parâmetros anteriormente apresentados. 2. METODOLOGIA E INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA São apresentados neste trabalho o cálculo da eficiência de três formas distintas, uma em coeficiente de eficiência energética ( ENCE ) e dois para eficiência global ( ). As duas últimas aplicadas a máquinas de fluxo axial, categoria na qual se classificam os ventiladores de mesa residenciais. Para os cálculos de vazão, coeficiente de eficiência energética e respectivas categorias (A, B, C ou D), é considerada a metodologia de ensaio para ventiladores de mesa (INMETRO, 2012), documento complementado pela Lei de Eficiência Energética (Lei 10.295, 2001). 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 3 Para uma análise mais diretamente aplicada ao ventilador de mesa, permitindo obter a eficiência global com base na velocidade na saída das pás do ventilador é utilizado metodologia de Custódio (2007). Henn (2006) considera uma metodologia voltada propriamente para análise de máquinas de fluxo ou de fluidos, seja essa motora ou geradora, e que se utiliza de cálculos baseados nas equações de Euler para máquinas de fluxo, que tomam como base o triângulo de velocidades. 2.1 Geometria e especificação técnica dos ventiladores É necessário registrar os seguintes dados do ventilador antes de iniciar os testes, essenciais para os cálculos posteriores e para o cálculo dos resultados. Os dados nominais do ventilador, como o diâmetro nominal, potência nominal, tensão e frequência de operação, indicadas no manual do equipamento. O diâmetro da hélice (Dh) e o diâmetro do rotor central (Dr), visualizados na Figura 1, foram mensurados com o auxílio de um esquadro. FIGURA 1. Esboço da hélice de um ventilador axial de uso residencial. A determinação do ângulo de saída do fluxo de ar, denominado Beta (β), é feita medindo-se os lados/catetos do triângulo retângulo (Figura 2). OndeU é o vetor velocidade tangencial. FIGURA 2. Esboço em corte da pá de um ventilador axial de uso residencial. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 4 2.2 Instrumentação utilizada Os equipamentos utilizados nos teste desse trabalho estão listados na Tabela 1. Acompanham os dados técnicos necessários para a melhor referência de escala/resolução e precisão dos instrumentos utilizados. TABELA 1.- Equipamentos e estruturas utilizados nos experimentos Equipamento Quantidade Modo medição / Tipo Escala Resolução Precisão Termo-Higro- Anemômetro 1 Anemômetro / Hélice 0,4 - 25,0 m/s 0,1 m/s ± 0,02 + 1 dígito (Instrutherm, modelo: THAR-185) Tacômetro 1 Rotação/ Foto- tacômetro 2,5 - 99999 RPM 1 RPM ± 0,05 + 1 dígito (Instrutherm, modelo: TD-812) Wattímetro 1 Potência ativa / Alicate 0,05W - 9999kW 0,001W ± 0,02 ± 0,025W (Instrutherm, modelo: WD-950) Termo-Higrômetro Digital (Instrutherm, modelo:HT-600) 1 Temperatura e Umidade relativa 0 - 50°C 0,1° ± 1°C 20 - 99% UR 1% ± 5 % Termo-Anemômetro Digital 1 Anemômetro / Fio- Quente 0.2 a 20.0 m/s 0.1 m/s ± 3% + 1 dígito (Instrutherm, modelo: TARF-180) Termo-Higro- Anemômetro Barômetro 1 Barômetro 10,0 a 999,9 hPa 0,1 hPa 1,5 hPa (Instrutherm, modelo: THAB-500) Túnel de Vento (L= 3m; D= 0,6 m) 1 Software de Aquisição de dados (Instrutherm, SW- U801) e cabo (SW10) 1 Notebook 1 Ventilador 50 cm 1 Potência Nominal: 160W No âmbito de instalação de ensaio, o ventilador deve ser posicionado na entrada do túnel de vento, respeitando as indicações da Figura 3 (INMETRO, 2012). O plano da hélice 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 5 do ventilador deve estar a aproximadamente 15 cm do plano da seção transversal de entrada do túnel de vento. FIGURA 3. Disposição dos equipamentos e indicadores necessários, (INMETRO, 2012). Para registrar as rotações da hélice, fita refletora foi fixada na pá do ventilador, na parte traseira, permitindo registrar as rotações com um tacômetro. Portanto, o tacômetro é instalado na extremidade direita da Figura 3, seguindo os procedimentos recomendados pelo fabricante, contidos no manual do equipamento. Considerou-se no ensaio que não haveria interferências no fluxo do escoamento produzido pelo ventilador, não existindo nenhum tipo de “barreira” ou objeto no interior do túnel de vento e a 1 metro após o plano de descarga do túnel de vento (INMETRO, 2012), visualizado na Figura 4. FIGURA 4. Foto modelo do aparato experimental: entrada do túnel. O anemômetro (fio-quente e hélice) foi instalado na seção de descarga do túnel de vento, extrema esquerda da Figura 3, respeitando as posições indicadas na Figura 5. Foi construído um suporte móvel para minimizar as vibrações, as quais poderiam ocasionar medidas errôneas nos valores adquiridos. O suporte pode ser visualizado na Figura 6. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 6 FIGURA 5. Disposição dos pontos de medição de velocidade (INMETRO, 2012). FIGURA 6. Foto da bancada experimental: suporte para o anemômetro. O wattímetro foi instalado nos fios de alimentação elétrica do ventilador, seguindo o procedimento apresentado na Figura 7, proveniente do manual do fabricante (http://www.icel- manaus.com.br/imagens/produtos/aw4600.pdf). FIGURA 7. Imagem esquemática da instalação do wattímetro alicate. 2.3 Procedimento experimental Deixou-se o ventilador ligado por 30 minutos antes de começar os testes, conforme INMETRO (2012), para que o ventilador adquira o regime permanente do equipamento. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 7 Trabalhos anteriores do grupo de pesquisa ARENA/UFGD demonstraram que o período é cabível (Trevisan e Leal da Silva, 2011). A medição da velocidade foi feita com o auxilio do anemômetro (fio-quente e hélice), utilizando-se o software de aquisição de dados indicado na Tabela 1, com valores registrados a cada 1 segundo (INMETRO, 2012). Feitas no plano de descarga do túnel de vento e na saída do ventilador (entrada do túnel de vento), na segunda não foi utilizado o software de aquisição de dados. A potência ativa foi mensurada com o wattímetro tipo alicate, na função de medição de potência em Watts (W). Foram anotados 10 valores no início e término de cada ensaio com uma determinada velocidade/rotação do ventilador, com intervalo de 20 segundos, totalizando 20 valores. O recomendado é que esses valores fossem registrados com aquisição computacional com intervalos de no máximo 2 segundos (INMETRO, 2012). No entanto o método utilizado pelos autores difere um pouco do método proposto por INMETRO, mas apresenta confiabilidade, demostrado em Leal da Silva e Andrade (2012). A medição da rotação das pás foi feita utilizando um tacômetro (função foto- tacômetro), utilizando-se a unidade de medição em RPM. Foram respeitadas as exigências do mesmo anteriormente apresentadas na seção de instalação dos equipamentos. 2.4 Equacionamento 2.4.1 Coeficiente de eficiência energética normalizado (INMETRO, 2012) Para a referência INMETRO (2012) estabelece-se um coeficiente de eficiência para enquadrar os ventiladores de mesa residenciais nas categorias utilizadas na elaboração da etiqueta ENCE (Etiqueta Nacional de Conservação de Energia), que estabelece valores para o pleno funcionamento da lei da eficiência energética (Lei 10.295, 2001) e do PBE (Programa Brasileiro de Etiquetagem), com o segundo coordenado pela parceria entre PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) e CONPET (Programa Nacional da Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural). Para o cálculo desse coeficiente ( ENCE ) é necessário saber a vazão que sairá pelo plano de descarga do túnel de vento, isto é, a quantidade de vazão que chegará a uma distância de 3 metros do ventilador demonstrado na Figura 3. Com os valores instantâneos de velocidade, obtém-se ,a iv que é a média desses valores instantâneos em um dos pontos de medição, denominado i, representado na Figura 5 calculado conforme Equação 1. Fazendo-se necessários os valores das velocidades 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 8 instantâneas medidas, ,i nv , divididos pela quantidade de medições instantâneas realizadas, n , nesse experimento foram feitas 600 medições, sendo indicado por INMETRO (2012) no mínimo 600 e no máximo 3000. , 1 , n i n a i v v n (1) A partir da média dos valores instantâneos pontuais pode-se mensurar a velocidade média do fluxo que está saindo pela seção de descarga do túnel de vento, armv , , mensurada em relação os 8 valores indicados na Figura 3. , 1,2,3,4,5,6,7,8 , 8 a i i m ar v v (2) Com a velocidade média calculada na Equação 2, e a área da secção de descarga do túnel de vento, sA , calculou-se a vazão produzida pelo ventilador, conforme a Equação 3. sarmar AvQ ., (3) Com esses valores calculados anteriormente e os valores mensurados da potência ativa calculou-se o coeficiente de eficiência, Equação 4, estabelecendo uma relação entre a vazão na saída do túnel de vento e a potência ativa, aP , consumida pelo ventilador. ENCE ar a Q P (4) Como a metodologia pode ser usada para diâmetros nominais variando entre 30 e 60 cm, foi necessário normalizar esse valor com base na equação 5, onde d é o diâmetro da hélice do ventilador. dENCEnENCE ., (5) A partir desse coeficiente de eficiência normalizada e a Tabela 2, disponibilizada por INMETRO (2012) estabelece-se a classificação do ventilador na sua categoria. A indicação de velocidade alta, média ou baixa refere-se à rotação (RPM) obtida em função da posição do botão controlador de velocidade. TABELA 2. Referência de enquadramento do ventilador (INMETRO, 2012). 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 9 Dentro dessa metodologia é necessário calcular o valor de variação das velocidades do fluxo, onde para esse calculo primeiramente foi-se calculado o desvio padrão, , das velocidades instantâneas em cada ponto da Figura 5 com o uso da Equação 6. 2 , , 1 1 1 n a i m ar i v v n (6) A partir do desvio padrão foi-se calculado o percentual de variação das velocidades, %v , conforme Equação 7. % , 100 m ar v x v (7) 2.4.2. Equacionamento: Eficiência global do ventilador (Custódio, 2007). A partir desse momento será necessário mensurar o raio médio, mR , da hélice do ventilador, calculado conforme a Equação 8. Onde eR e iR , raio externo e interno respectivamente podem ser visualizados no Figura 8. e(R ) 2 i m R R (8) Rotor Re Ri FIGURA 8. Esquema da área útil dos ventiladores que engloba a área das pás; Adaptados de Henn (2006). Também é necessário o cálculo da massa específica do ar local, , que foi utilizado a lei dos gases ideais, indicada na Equação 9. Onde a pressão local, LocalP , é mensurada com um barômetro, a temperatura, T , é a média das temperaturas mensuradas no experimento e foi utilizado o valor de 287 [J/kmol.K] para constante dos gases ideias. . .LocalP RT (9) 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 10 A potência de escoamento do ventilador, EscP , calculou-se a partir da Equação 10, utilizando os valores da velocidade medida na saída do ventilador ( sv ) e a área útil da hélice, hachurada na Figura 8. 322 ...21....21...21 sstssstsEsc vAvvAvQP (10) O cálculo da eficiência global do ventilador ( t ) foi feito a partir Equação 11, que estabelece uma relação adimensional entre potência consumida pelo ventilador e a inserida no fluxo, resultando em uma porcentagem. 100Esct a P x P (11) A Equação 10 é usualmente considerada para o cálculo do potencial eólico em turbinas eólicas (aerogeradores), onde se estabelece um cilindro imaginário ou “tubo de corrente”, Figura 9, onde a borda da base do cilindro é a área da seção transversal de saída do ventilador (ou entrada da turbina) tangência as pontas das pás da máquina de fluidos axial. FIGURA 9. Modelo esquemático do cilindro imaginário (“tubo de corrente”) utilizado em Custódio (2007). 2.4.3. Eficiência global do ventilador (Henn, 2006) Mesmo a formulação anterior apresentando resultados razoavelmente precisos para o cálculo da potência de escoamento gerada pelo ventilador de mesa, mesmo possuindo vínculo em calcular a mesma em máquinas de fluxo motoras, é necessário uma metodologia de cálculo com base voltada para máquinas de fluxo geradoras, caso do ventilador de mesa residencial, que é adotada em Henn (2006). Nessa análise usa-se a teoria do triângulo genérico de velocidades aplicado em máquinas de fluidos, Figura 10, com seus respectivos vetores velocidade. Com U a velocidade tangencial, acompanha a rotação da hélice. A componente W é a velocidade de acompanha a geometria da pá. A última componente é o V que é a resultante das duas anteriores, compondo o vetor velocidade resultante que o fluxo está assumindo. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 11 WV Vt Wt U Vr = Wr a ß FIGURA 10. Triângulo de velocidades para máquinas de fluidos. Sendo o β o ângulo de fabricação da pá, que os mensurados para o ventilador ensaiado é apresentado na Tabela 3, podendo ser o de entrada (usado no triângulo de velocidades de entrada) ou de saída do fluxo (usado no triângulo de saída). No caso de ventiladores axiais a velocidade absoluta relativa (Vr) é dada pela velocidade do fluxo logo após a saída do ventilador. A velocidade tangencial foi calculada a partir da Equação 12, que faz uso da rotação específica da hélice, (rad/s). . mU R (12) Os outros dados do triângulo podem ser calculados por equações algébricas simples, sendo aconselhável a utilização de seno ou cosseno onde a variação do resultado em relação ao ângulo é menor que no uso da tangente, assim diminuindo a chances de ocorrerem grandes diferenças entre os valores apresentados nos resultados. Conhecendo-se os valores dos vetores velocidade, foi calculado o trabalho específico ( ,páY ) inserido no fluxo pela fórmula fundamental das máquinas de fluidos geradoras, mas comumente chamada de fórmula de Euler, Equação 13, onde tV é a componente tangencial da velocidade absoluta. tpá VUY ., (13) A vazão na saída do ventilador, conforme Henn (2006) e Custódio (2007), é dada por QRotor. A partir desse resultado calcula-se ,páP , com a Equação 14. , , ,. . . . .pá Rotor pá r st páP Q Y V A Y (14) Então calcula-se a eficiência global do ventilador considerado-o como uma máquina de fluxo ideal, Equação 15. 100 pá pá P x P (15) Esta valor de eficiência vale para uma máquina de fluxo ideal (MFI), considerando um número infinito de pás as quais possuem espessura desprezível, o que indica um valor limite máximo para a eficiência do equipamento. O cálculo da eficiência global real requer a aplicação de um fator de correção, denominado fator de deficiência de potência ( ), usado 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 12 para determinar a potência real do escoamento de ar proporcionado pelo ventilador axial que resulta na condição representativa de uma máquina de fluxo real (MFR), conforme HENN (2006). 3. RESULTADOS A Figura 11 mostra todos os dados a qual foram mensurados para o ventilador ensaiado com a utilização do anemômetro de fio-quente. As legendas P.E. e P.A., são respectivamente para potência do escoamento e potência ativa, junto com indicação da metodologia de referência para obtenção de conjunto de resultados. A curva de tendência adotada para os valores referentes a HENN (2006) e P.A. utiliza um polinômio de grau 3, e para as curvas referentes a Custódio (2007) um polinômio de grau 2. FIGURA 11. Resultados do ventilador: anemômetro de fio-quente. Pode-se perceber na Figura 11 que ocorrem diferenças entre os resultados obtidos,em ambas as metodologias, Henn (2006) e Custódio (2007). A eficiência do primeiro está entre 19 e 72% e do segundo entre 7 e 25%. No entanto, ambas as metodologias apresentam a mesma tendência entre eficiência e potência do escoamento para o ventilador ensaiado. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100 120 140 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 E fi ci ên ci a ( % ) P .E . e P .A . (W ) Vazão (m³/s) P.E. (HENN, 2006) P.E. (CUSTÓDIO, 2007) P.A. Eficiência (HENN, 2006) Eficiência (CUSTÓDIO, 2007) 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 13 As diferenças observadas ocorre principalmente pelo fato de se tratar de equacionamentos para uma MFR (CUSTÓDIO, 2007) versus MFI (HENN, 2006). Estas condições foram bem discutidas em outro trabalho dos autores (Leal da Silva e Andrade, 2012). Os resultados da Figura 11 apresentaram variação nas velocidades (Equação 7) medidas de 14,25%, 15,10%, 14,86% e 17,31%, respectivamente para as velocidades 1, 2, 3 e 4. Um dos requisitos de aceitação para ensaios de ventiladores de mesa (INMETRO, 2012) é a manutenção de um fluxo estável, dentro da margem de 5% de variação da velocidade. Portanto os resultados apresentados correspondem a uma condição de um fluxo não estável (INMETRO, 2012), com um grau de turbulência maior do que o recomendado. Uma provável influência para tal comportamento da variação de velocidade é devido às condições ambiente durante a realização do ensaio, temperatura de 15,8°C e umidade relativa de 77%, que somente a umidade relativa está dentro dos parametros recomendados de INMETRO (2012). Neste trabalho foram feitos ensaios com anemômetros de fio-quente e de hélice, apresenta-se na Figura 12 os resultados obtidos com o anemometro de hélice, com os mesmos grau de polinômio da Figura 11 para as metodologias utilizadas, percebendo que os valores se apresentam pouco diferentes dos valores obtidos com o anemômetro de fio-quente, com intervalo de eficiência de 25 à 69 % e 6 à 25 %, para Henn (2006) e Custódio (2007), respectivamente. O intervalo de potência de escoamento potência de escoamento de 6 à 79 W (HENN, 2006) e 1,5 à 28 W (CUSTÓDIO, 2007), com o primeiro apresentando um intervalo maior. Os valores medidos para a temperatura ambiente e umidade relativa são respectivamente, 36,4 °C e 36%, que estão fora dos parametros ideais de INMETRO (2012). Outro fator se apresentou diferente os ideais, a porcentagem de variação do fluxo de ar sendo 10,3%, 10,1%, 11,1%, 12,0% e 14,9% para as velocidades 1, 2, 3,4 e 5 , respectivamente. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 14 FIGURA 12. Resultados para o ventilador: anemômetro de hélice. Como percebido nas Figuras 11 e 12, existem diferenças entre os resultados obtidos com os anemômetros de fio-quente e hélice. Que também pode ser percebida na metodologia INMETRO (2012), apresentada na Tabela 3. Percebendo-se que as variações são maiores em INMETRO (2012), onde pode-se facilmente enquadrar o ventilador em uma categoria de elevada eficiência (A) ou até mesmo rebaixa-lo para uma categoria menos eficiente (C). Outro ponto a ser analisado é a ocorrência de vazões diferentes entre a entrada do túnel de vento, visualizadas na Tabela 3, e a saída do mesmo, visualizadas nas Figuras 11 e 12, percebendo que a variação para o anemômetro de fio-quente é de 0,88 m³/s para 0,77 m³/s, respectivamente na saída e entrada do túnel de vento. Esse fato ocorre também em Leal da Silva e Andrade (2012). A partir dos dados registrados nos ensaios, chega-se a resultados interessantes, relembrando que as condições ambientais (temperatura ambiente e umidade relativa) diferirem das recomendadas por INMETRO (2012). Outro ponto importante é a quantidade de velocidades registradas, que apesar de estarem dentro da margem indicada em INMETRO (2012), ainda estão no mínimo indicado (600 valores), o que influenciará nos resultados da Equação 7, referente a porcentagem da variação das velocidades do fluxo 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 120 140 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 E fi ci ên ci a ( % ) P . E . e P .A ( W ) Vazão (m³/s) P.E. (HENN, 2006) P.E. (CUSTÓDIO, 2007) P.A Eficiência (HENN, 2006) Eficiência (CUSTÓDIO, 2007) 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 15 TABELA 3. Resultados referentes aos dados apresentados nas Figuras 11 e 12 utilizando a metodologia INMETRO (2012). Hélice Vazão Rotação Eficiência [(m/s.W)*d] Categoria 0,88 1245 0,0036 ± 0,0004 B V1 0,76 1090 0,0039 ± 0,0004 B V2 0,59 812 0,0043 ± 0,0000 A V3 0,45 642 0,0043 ± 0,0005 A V4 0,26 376 0,0048 ± 0,0007 A V5 Temperatura (°C): 36,4 Umidade (%): 41 Ângulo Beta (β): 13,07 Fio-quente Vazão Rotação Eficiência [(m/s.W)*d] Categoria 0,77 1246 0,0031 ± 0,0005 C V1 0,641048 0,0034 ± 0,0005 C V2 0,51 832 0,0035 ± 0,0005 C V3 0,38 607 0,0038 ± 0,0007 B V4 Temperatura (°C): 15,8 Umidade (%): 77 Ângulo Beta (β): 13,07 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 60335-1 - Segurança de aparelhos eletrodomésticos e similares – Parte 1: Requisitos gerais (IEC 60335- 1:2006 - edição 4.2, MOD). Rio de Janeiro, ABNT, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11829 - Segurança de aparelhos eletrodomésticos e similares - Requisitos particulares para ventiladores. Rio de Janeiro, ABNT, 2008. CUSTÓDIO, R. S. Energia Eólica para Produção de Energia Elétrica. Eletrosul, Rio de Janeiro, Brasil, 280 p., 2007. HENN, E.A.L. Máquinas de Fluido, UFSM, Santa Maria, Brasil, 474 p, 2006. ICEL-MANAUS, Manual de instruções do alicate wattímetro modelo AW-4600. Disponível em <http://www.icel-manaus.com.br/imagens/produtos/aw4600.pdf > Acesso em: 06 abril 2012. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL, Portaria N° 20. Requisitos de Avaliação da Conformidade para Ventiladores de Mesa, Parede, Pedestal e Circuladores de Ar. INMETRO, Rio de Janeiro, Brasil, 2012. 2° COEN - UFSJ XII CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias da Universidade Federal de São João del-Rei - MG Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 16 Lei Nacional Nº 10.295, Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e dá outras providências. Diário Oficial [da Republica Federativa do Brasil]. BRASIL, 2001 Leal da Silva, R.; Andrade, E. S.; Eficiência energética e potência de escoamento proporcionado por um ventilador axial de pequeno porte para uso residencial. 5º CONEM – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, São Luiz – MA, Brasil, 10 p., 2012. TREVISAN, L.S.F; LEAL DA SILVA, R. “Bancada portátil para realização de ensaios característicos em modelos diversos de ventiladores de mesa”, 5º ENIC/UFGD - Encontro de Iniciação Científica, Dourados - MS, Brasil, 14 p, 2011. AGRADECIMENTOS O primeiro autor agradece a bolsa ITI - Iniciação Tecnológica Industrial concedida pelo CNPq, via UFGD através do programa PIBITI - Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação. Agradecimentos também são devidos ao Prof. Cristiano Marcio Alves de Souza pelo espaço físico disponibilizado no laboratório de Mecanização Agrícola (Engenharia Agrícola / FCA – Faculdade de Ciências Agrárias / UFGD) para a realização dos experimentos, bem como aos técnicos José Carlos Venturin e Davi Vriesman do curso de Engenharia de Energia / FAEN - Faculdade de Engenharia. O segundo autor agradece aos recursos obtidos para a realização do projeto de pesquisa intitulado “Eficiência energética em máquinas e equipamentos rurais”, via edital CT- Energ/MCT/CNPq N° 050/2008 – Linha de Pesquisa 2, processo nº 578042/2008-8 (Encerrado). Projeto de pesquisa institucional, UFGD/PROPP/COPq Projeto N° 2009/0122 (Vigência: Agosto/2009 a Julho/2013).
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