Ventiladores: Tipos e Funcionamento

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FEPI – CENTRO UNIVERSITÁRIO DE ITAJUBÁ
MAQUINA DE FLUXO – VENTILAÇÃO
6º período – Engenharia Mecânica 
Lúcia Gonçalves 
OUTUBRO/2016
INTRODUÇÃO 
Ventiladores são turbo máquinas utilizadas para converter energia mecânica de rotação em aumento de pressão do ar. São fluxo geradoras que transmitem a energia mecânica recebida do eixo para o fluido. Seu funcionamento é similar às bombas, sendo a principal diferença a de que o fluido que recebe energia, é um gás. A função principal do ventilador é promover a circulação do ar no ambiente, levar gás de um local para outro. 
A convecção acontece quando a massa de ar frio desce devido ao peso e empurra a massa de ar quente para cima, que é mais leve. Depois de um tempo, a massa de ar quente se resfria e inicia o processo novamente.
O princípio de operação dos ventiladores é semelhante ao das bombas centrífugas. Ventiladores e bombas centrífugas são máquinas de fluxo motoras que transferem energia a gases e líquidos, respectivamente, através da ação de um rotor.
Os Sistemas de ventilação aplicados no condicionamento de ar (refrigeração, aquecimento, exaustão, filtragem, renovação, diluição de poluentes...) em ambientes residenciais, comerciais e industriais constituem grande parte das unidades em uso. Os ventiladores usados nessas instalações são, geralmente, de baixa pressão, isto é, não transferem energia suficiente para impor uma variação apreciável de densidade do fluido de trabalho (gás). O escoamento nestes sistemas tem velocidade relativamente baixa. Sob essas condições o escoamento do ar pode ser tratado como escoamento de um fluido incompressível, o que facilita bastante a análise e a torna similar à do escoamento de líquidos em tubulações.
CLASSIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS
Os ventiladores podem ser classificados segundo o nível energético:
Baixa pressão - até 0,02 kgf/cm² (1,96 KPa, 200 mmca)
Média pressão - de 0,02 a 0,08 kgf/cm² (1,96-7,84KPa, 200 a 800 mmca)
Alta pressão - de 0,08 a 0,25 kgf/cm² (7,84-24,5KPa, 800 a 2.500 mmca)
Altíssima pressão - acima de 0,25 kgf/cm² (mais de 24,5KPa, 2.500 mmca)
TIPOS DE VENTILADORES 
Fluxo radial (Centrífugos) (1)
Fluxo Axial (2) Figura 2 (2)
 Figura 1 (1)
VENTILADOR CENTRÍFUGO
Um ventilador centrífugo consiste em um rotor, uma carcaça de conversão de pressão e um motor. O ar entra pelo centro do rotor em movimento, e é direcionado para as palhetas onde é impulsionado para a periferia do rotor para fora das suas aberturas de descarga, entrando na voluta (carcaça).
VENTILADOR AXIAL 
No ventilador axial o ar entra e sai paralelamente ao eixo do rotor, consiste em uma hélice montada numa armação de controle de fluxo, com o motor apoiado por suportes normalmente presos à estrutura dessa armação. O ventilador é projetado para movimentar o ar de um espaço fechado a outro em que as diferenças de pressões estáticas são relativamente baixas. O tipo de armação, a posição e forma da hélice tem influência decisiva no desempenho do fluxo de ar e na eficiência do próprio ventilador. Tendem a ter alta velocidade de giro, podendo ser ruidosos. 
 Figura 3 - Axial figura 4 –Radial 
VENTILADORES CENTRIFUGOS 
Centrífugo, pás radiais - Um ventilador robusto, para movimentar efluentes com grande carga de poeira, poeiras pegajosas e corrosivas. A eficiência desse tipo de ventilador é baixa, e seu funcionamento, barulhento.
Centrífugo, pás para frente - Mais eficiente, tem maior capacidade exaustor a baixas velocidades, e não é adequado para trabalhos de alta pressão nem para altas cargas de poeira, apresentando problemas frequentes de corrosão, se mal utilizado. Atingem pressão necessária c/ menor vel. periférica – menor ruído (Siroco – SVGD)
Centrífugo, pás para trás - Possui duas importantes vantagens: apresenta maior eficiência e autolimitação de potência. Isso significa que, se o ventilador está sendo usado em sua máxima potência, o motor não será sobrecarregado por mudanças de sistema de dutos. É um ventilador de alta eficiência e silencioso, se trabalhar num ponto de operação adequado. Uso em operação contínua e c/ elevada demanda de potência.
VENTILADORES AXIAIS 
Axial propulsor - É o tipo mais barato para mover grandes volumes de ar a baixas pressões. Sendo frequentemente utilizado para circulação de ar ambiente.
Axial comum - Possui ampla calota central, que possibilita sua utilização a pressões mais elevadas. É frequentemente usado em ventilação de minas subterrâneas e, em algumas ocasiões, em industrias. Nesse tipo de ventilador, a forma das pás é muito importante, e eles não devem ser usados onde haja risco de erosão e corrosão.
Tubo-axial - Trata-se de um propulsor, com pás mais grossas mais largas, colocado dentro de um tubo, o que permite uma direta conexão com os dutos.
CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS VENTILADORES
O ventilador axial apresenta rendimentos na faixa dos 80%, ou seja, da energia mecânica que chega até o eixo, ele transfere cerca de 80% para o ar. Isso acontece porque a direção do fluxo de saída é a mesma do fluxo de entrada.
	
Apesar de apresentar maior rendimento o ventilador axial tem algumas desvantagens. Por exemplo: se ele for montado em dutos, isso dificultará sua manutenção, que será mais trabalhosa. Seu nível de ruído é maior e, embora possa ter motor externo e acionamento por correia, seus mancais e parte da correia estão em contato com o fluxo de ar, ou outros gases. Por melhores que sejam as proteções, isso limita sua aplicação em ambientes que contenham partículas abrasivas, gases corrosivos e altas temperaturas.
A forma construtiva do ventilador radial permite que os mancais fiquem em posição externa em relação ao fluxo do ar ou gases. Isso os mantém protegidos e, no caso de altas temperaturas, o eixo pode ser prolongado ou dispor de discos para dissipar o calor. A montagem e a desmontagem do ventilador radial também são facilitadas.
FORMA DAS PÁS EM VENTILADORES CENTRÍFUGOS 
A - Pás radiais retas: ventilador robusto, movimenta grandes cargas de partículas (em suspensão), trabalho pesado e rendimento baixo.
B - Pás inclinadas para trás (curvas): usado para gases limpos, silencioso, bom rendimento, potência auto limitada e alta pressão.
C - Pás curvadas para frente: usado para alta pressão; bom rendimento. Permite vazões mais altas com menores diâmetros. Não é adequado para gases com partículas abrasivas ou material pegajoso. 
D - Pás curvas de saída radial: Usado para alta pressão e grandes vazões. Bom rendimento.
E - Pás perfil de asa: Usado para ar limpo, baixo nível de ruído, tem bom rendimento. 
FUNDAMENTOS DA TEORIA DOS VENTILADORES
	
Partindo da equação de Bernoulli:
Considerando que a massa específica do ar é muito baixa se comparada com líquidos. Assim, para a maioria dos casos práticos, as diferenças de alturas físicas entre os pontos pouco representam em termos de pressões. Elas não são consideradas na equação de Bernoulli.
Considerando que, no escoamento real, há perda de carga nos dutos e acessórios dos mesmos, deve-se incluir em um lado da equação as parcela das perdas de pressão na linha de aspiração e linha de recalque (Ja) e (Jr) que representa a totalidade das perdas. Assim, entre os pontos 0 e 3:
Notar que H corresponde à energia efetivamente adicionada ao fluxo. Não corresponde à energia consumida pelo motor, uma vez que, conforme princípios da Termodinâmica, a eficiência das máquinas é sempre menor do que 100%.
A potência efetiva pode ser obtida pelo produto da altura efetiva, vazão volumétrica e peso específico do ar:
Potef= γ.Q.H
A potência mecânica é a potênciaé a potência fornecida pelo motor ao eixo do ventilador. É conhecida também pela expressão usual inglesa BHP (break horse power). É dada por: 
Potmec=Potef/η
Onde η (0 < η < 1) é o rendimento do ventilador.
Em um sistema, de ventilação ou exaustão, as principais características a serem levantadas são as pressões (total, estática e dinâmica) e a vazão.
Como visto, a função principal de qualquer ventilador ou exaustor, é movimentar uma quantidade específica de ar ou gás, através de um sistema a eles ligado. Para que isto ocorra, o equipamento tem que produzir e gerar dois tipos distintos de pressões: a estática que é aplicada igualmente em todas as direções e a pressão dinâmica ou de velocidade que é unidirecional e necessária para colocar e manter o ar em movimento.
 A pressão total será a soma das parcelas Estática e Dinâmica.
P=Pest+Pdin
Onde: Pest = Pressão estática da linha (Pa)
 Pdin = Pressão dinâmica da linha (Pa)
Pest=ps-pe
Onde: ps = Pressão de saída (Pa)
 pe = Pressão de entrada (Pa)
Pdin= ρ/2.(Vs²-Ve²)
Onde: ρ = massa específica (kg/m³) 
 Vs = velocidade de saída (m/s)
 Ve = Velocidade de entrada (m/s)
Desta forma, podemos expressar a pressão total como:
P=ps-pe + ρ/2.(Vs²-Ve²) Pa
A pressão total é a energia específica, obtida a partir da equação da energia, se as condições de referência são atendidas (energia cinética na entrada nula, pressão absoluta na entrada p2 = 101.300 N/m2, e massa específica do ar de 1,2 kg/m3), e se a compressão do ar no ventilador ocorre para um fluido de trabalho que pode ser modelado como incompressível; 
A curva que representa a relação entre a pressão total e a vazão descarregada, quando o ventilador opera em rotação constante, é denominada curva característica do ventilador.
Rendimento Hidráulico (ηh)
ηh=P/Pt
Pressão teórica (Pt)
Pt= ρ.(u2.c2u-u1.c1u) Pa
Potencia útil (ηu)
ηu=Q.P W ou J/s
LEIS DOS VENTILADORES
A partir das condições com que um ventilador funciona e aplicando as leis de semelhança pode-se estimar os valores das diversas grandezas quando uma ou mais sofre variação.
Com o uso de modelo reduzido e princípios de semelhança geométrica, cinemática e dinâmica estabelece-se as grandezas correspondentes de um protótipo.
A vazão varia com a rotação, a pressão desenvolvida varia com o quadrado da rotação e a potência varia com o cubo da rotação.
Essas relações, acrescidas das que mostram a variação da vazão, da pressão e da potência, com a massa específica do fluido e o tamanho do ventilador, constituem as chamadas leis dos ventiladores.
As leis :
Para um mesmo rotor e fluido com rpm diferentes
Para um mesmo rotor e rpm com fluidos distintos
Para mesmo fluido, mesma rpm e rotores geometricamente semelhantes
Para um mesmo fluido, rpm diferentes e rotores geometricamente semelhantes.
Uso das leis: A variação da vazão com a rotação faz com que muitos se proponham a aumenta-la, com o objetivo de conseguir maiores vazões. Porém, o aumento da potência com o cubo da rotação, faz com que o motor originalmente utilizado nem sempre suporte esse aumento. Cuidados de ordem estrutural do ventilador também devem ser tomados.
CONCLUSÃO 
	
 Neste trabalho foi apresentado um geral sobre ventiladores, na qual nos possibilitou a compreensão das variáveis envolvidas, e na análise das características de ventiladores centrífugos e axiais.
 Assim conclui que a função principal do ventilador é promover a circulação do ar no ambiente. Nas residências, esta circulação é proporcionada pela convecção, a qual ocorre em todos os fluidos (líquidos e gases). A convecção acontece quando a massa de ar frio desce devido ao peso e empurra a massa de ar quente para cima, que é mais leve. Depois de um tempo, a massa de ar quente se resfria e inicia o processo novamente. Os ventiladores são máquinas que produzem fluxos de ar ou de outros gases, com vazões relativamente altas e pressões baixas. Embora possam ser usados com qualquer gás, na prática o ar está quase sempre presente ,na forma natural como climatização e ventilação. Alguns aspectos termodinâmicos referentes a compressão podem ser desprezados sem grandes erros e a análise pode ser feita apenas com a equação de Bernoulli.
ANEXO : VENTILADOR CENTRIFUGO
 	 
ANEXO: VENTILADOR AXIAL 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CLEZAR, C.A.; NOGUEIRA, A.C. Ventilação Industrial. 2ª Ed. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2009. 
FRANÇA, F.A. Apostila: Sistemas fluidomecânicos5. Campinas: Unicamp, 2004. 
HENN, E.A.L. Máquinas de fluido. 2ª ed, Porto Alegre: UFSM, 2006. 
MACINTYRE, A.J. Ventilação industrial e controle da poluição. 2ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 1990.