Ventiladores, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Ventiladores e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!

Centro Universitario De Jaraguá Do Sul – Unerj Centro De Tecnologia E Artes Curso De Engenharia Mecânica

VENTILADORES

Jaraguá do Sul NOVEMBRO/ EMERSON SOUZA GIUSON DALMAR GAEDTKE Wanderlei Cardoso

VENTILADORES

Trabalho de MAQUINAS DE FLUXO Curso de Engenharia Mecânica/Unerj Professor: Prof. MARCO PICANÇO

Jaraguá do Sul NOVEMBRO/

1.0 Conceito de Ventilador e Sistema.

Ventiladores são máquinas utilizadas para movimentar gases, transformando energia mecânica do rotor em energia cinética do fluido. Sistema é o local onde o ventilador esta instalado, compreende todo o espaço por onde o fluido escoa.

1.1 Variáveis envolvidas (Funcionamento).

O ventilador gera uma vazão (m3/s) e uma conseqüente pressão (Pa) no fluido. Ele faz essa passagem da energia do eixo para o fluido com uma determinada eficiência (%), consumindo nesse processo uma certa potência (kW) da fonte de energia. O fluido impulsionado pelo ventilador percorre um determinado caminho compreendido pelo sistema, esse caminho por sua vez possui uma perda de carga (Pa), quanto maior essa perda de carga mais difícil é impulsionar o fluido. O fluido impulsionado geralmente será o ar, possuindo uma massa específica (Kg/m^3) que varia conforme temperatura e altitude. Na condição padrão o ar possui: Potência = Pressão(Pa)*Vazão(m^3/s)/Eficiência(0 a1)

1.2 Curvas do Ventilador e Sistema.

Um ventilador funcionando em um ambiente com alta perda de carga gera sobre o

fluido uma vazão menor se operando num ambiente com perda de carga baixa. Assim a vazão e pressão gerada pelo ventilador dependem da característica de perda de carga no sistema. Conforme vamos variando a perda de carga do sistema vamos conseguindo vazões e pressões diferentes que são então plotadas em um gráfico, a chamada curva característica do ventilador:

Quando o sistema é totalmente fechado o Ventilador só gera pressão, vazão igual a zero. Para um sistema totalmente aberto a vazão do fluído é a máxima possível que o ventilador pode gerar, todos os pontos intermediários são pontos possíveis de operação quando a perda de carga do sistema esta entre 0 e a máxima (bloqueio total da vazão). Assim o sistema também possui sua curva característica:

Embora não variamos as condições geométricas do sistema, a perda de carga do fluido que escoa nesse varia conforme a sua velocidade ou Vazão. A relação entre perda de carga (Pa) do fluido e a Vazão desse (m^3/s) é chamada Resistência do Sistema (Ns^2/ m^8). Pressão(Pa)= Resistência(Ns^2/m^8)*Vazão(m^3/s)^ A Resistência varia conforma varia as condições físicas do meio, geometria, temperatura e o tipo de fluido que escoa nesse.

1.3 Ponto de Operação.

A pressão e vazão gerada pelo ventilador será então o ponto de encontro entre a curva

do ventilador e a curva do sistema:

3.0 Ruído e Ventiladores.

Relação do Ruído (db) com a eficiência do ventilador:

Maior a eficiência menor o ruído.

Relação de Ruído com Pressão e Vazão.

Nota-se que o ruído cresce 2*mais com a pressão do que com a vazão.

3.1 Critérios para Minimizar o Ruído nos Ventiladores:

-Tipo do Ventilador: Se possível usar um axial de perfil aerodinâmico com as maiores eficiências e pressões menores ou então um Radial Pá para Trás. -Sistema: Dimensionar o sistema para a menor perda de carga possível, isso significara redução da pressão no ponto de operação. -Determinar a mínima vazão necessária, para o maior DT possível, nesse ponto obteremos por conseqüência a menor pressão.

-Dimensionar o ventilador geometricamente para a vazão mínima e para operar com a maior eficiência possível.

4.0 Aerodinâmica dos Ventiladores:

• Ventilador Radial Pá Reta : “Menos aerodinâmico” dos ventiladores, devido à

bidirecionalidade o ventilador tem que possuir suas pás alinhadas radialmente dando a simetria funcional nas duas direções de giro. A relação de diâmetros Di/De deve estar na faixa de 0.55 a 0.85, não havendo nessa um ponto ideal por si. Fixado o Diâmetro externo quanto menor essa reação maior é o volume de ar centrifugado e maiores são as pressões e vazões: A eficiência é maior quanto menor for a relação de diâmetros:

Com base do gráfico acima poderíamos preferir utilizar Diâmetro interno o menor possível. O problema nessa utilização é a relação entre as áreas de entrada axial do ar e a área de entrada radial do ar. A área de entrada radial deve ser menor que a entrada de área axial, isso para evitar a descompressão do ar, queda de velocidade, e o conseqüente fenômeno de separação do fluxo:

Se a relação: (Área de Entrada Axial) / (Área de Entrada radial) >= 1, não for igual a 1 deve ser a maior possível , devido a dificuldades em se conseguir a vazão necessária quando a relação de diâmetros for elevada (menos ar captado quando o Diâmetro Interno estiver muito próximo do Externo).

Os Ventiladores Axiais com exceção do Perfil KPL = 2 ou Perfil de chapa (Eficiência máxima de 35%) possuem as maiores eficiências em torno de 53%. Quanto ao n° de pás a eficiência permanece constante junto com a vazão máxima (lembrando que com o deslocamento do ponto de operação a um aumento de vazão também). Com o aumento do número de pás a um aumento proporcional de pressão.

Variando a Proporção da Relação de Diâmetros: Fixando um diâmetro externo referencial e variando o diâmetro interno. Por questões Geométricas quanto menor o diâmetro Interno menor o número de pás.

Quando se quer Pressão em um ventilador Axial convém fazê-lo com uma relação de diâmetros alta (diâmetro interno maior), com um conseqüente levado número de pás. Se variarmos o raio da pá, quanto menor for o raio, mais reta a pá, menor a pressão máxima gerada. A vazão máxima não se altera.

Se variarmos a largura da pá, quanto maior for a largura maior a pressão máxima, sendo a vazão máxima constante (comportamento oposto ao radial).

5.0 Procedimentos de Cálculo:

Cálculo para a escolha do Tipo de Ventilador (Radial ou axial):

n: rotação (rpm) da máquina Vs: volume de ar a ser transportado [m3 / s]

F 0 4 4 p: pressão estática a ser gerada pelo ventilador [Pa]

F 0 7 2 F 0 : Densidade do ar [kg/m3]. 7 3 <0,5: Radial. F 0 7 3 =(0,5 a 0,8): Radial ou Axial. F 0 7 3 >0,8: Axial.

Vs e Dp são referentes ao ponto de operação do Ventilador.

Para determinar DP precisamos saber a vazão de operação e a resistência do circuito:

Dp = R*Vs^

6.2 Ventiladores Radiais:

São especialmente adequados para mais baixas rotações onde são exigidas vazões

menores e pressões maiores. Sempre preferir o uso de Radiais pá para Trás, pá Reta só quando bidirecionais. Ângulo da pá, para Radial pá para Trás, deve estar entre 25 e 35°, conseguindo-se rendimentos até 48% ,os de pá reta o Rendimento é no máximo de 20%. O ar ao entrar no ventilador é desviado do sentido axial para o sentido radial. Tal mudança de direção pode levar à separação do fluxo:

Isso ocorre, quando a área da seção transversal (F0) da entrada axial for menor que a entrada radial (F1). F1/F0 <= 1.

O número de pás nos ventiladores Radiais é mais crítico que nos axiais devendo ser respeitado o número ótimo do cálculo. A distância entre a parede de separação e o ventilador deve ser a menor possível (não maior que 8mm) para evitar o refluxo de ar (Vedar o máximo possível a entrada de ar do ventilador da saída de ar do Ventilador). A relação de Diâmetros deve estar entre 0,55 a 0,85. Sendo ótima para os de Pá para Traz em 0,7.

-Sobre a forma da pá:

O ganho com essa construção é muito pequeno, complica o cálculo, além de tornar a construção mais difícel.

Perfil retangular normal:

6.2 Leis dos Ventiladores:

A primeira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica (pressão total x vazão) quando a rotação do ventilador varia (n F 0 E 0I n (^) II), mas o

peso específico padrão se mantém (γ^ I =^ γII ).^ Assim, se a rotação varia, variarão a vazão, a pressão total e a potência. As relações de similaridade determinarão os novos valores destas grandezas. A nova vazão será:

E a nova relação para a pressão total resultará da similaridade para a altura de

elevação. Da similaridade sabemos que:

Logo, usando a definição de altura de elevação e lembrando que γI = γ (^) II = γ,

ou ainda,

Assim, recorrendo-se à definição de pressão total e à relação de similaridade para a vazão, chegaremos a:

Para a potência, teremos:

A representação gráfica da 1a^ Lei dos Ventiladores está mostrada na curva característica

da figura abaixo. Considere o ponto de operação de referência, sobre a curva característica para a rotação nI e a curva de eficiência η2. Se a rotação aumenta para n (^) II (nII >n (^) I), o

deslocamento ocorrerá com uma eficiência constante η2 para o ponto II. A vazão Q (^) II , a pressão total ptotal (^) II e a potência NII serão calculadas pelas relações acima apresentadas. Da mesma forma ocorrerá se a rotação diminuir de nI para nIII.

A 3a lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica (pressão total x vazão) quando o peso específico do fluido de trabalho é diferente do padrão (γ F 0 E 0I γII ) mas a pressão total constante é a referência no procedimento (ptotalI [ccH2O] = ptotalII [ccH2O]). Então,

Assim,

ou,

,

Entretanto, das relações de similaridade sabemos que:

Logo,

e, finalmente,

A vazão varia com a raiz quadrada do inverso do peso específico

Finalmente a potência: ,

A representação gráfica da 3a Lei dos Ventiladores está mostrada na curva característica da figura abaixo. A determinação dos novos pontos de operação (γ (^) II >γI ) ou γIII<γ (^) I) ocorre como se a curva característica se deslocasse sobre o eixo horizontal (pressão

constante). A eficiência, consequentemente, não se mantém (η^2 F 0 E 0η^1 ) ou (η^2 F 0 E 0η^3 ), assim como mudam também a rotação e a potência.