Ventiladores para sistemas de ventilação canalizada
Este módulo analisa ventiladores centrífugos e axiais usados em sistemas de ventilação canalizada e considera aspectos selecionados, incluindo suas características e atributos operacionais.
Os dois tipos comuns de ventiladores utilizados em serviços de construção para sistemas canalizados são genericamente chamados de ventiladores centrífugos e axiais – o nome deriva da direção que define o fluxo de ar através do ventilador. Esses dois tipos são divididos em vários subtipos que foram desenvolvidos para fornecer características específicas de vazão/pressão, bem como outros atributos operacionais (incluindo tamanho, ruído, vibração, facilidade de limpeza, manutenibilidade e robustez).
Tabela 1: Dados de eficiência máxima de ventiladores publicados nos EUA e na Europa para ventiladores com diâmetro >600 mm
Alguns dos tipos de ventiladores mais comuns em HVAC estão listados na Tabela 1, juntamente com as eficiências máximas indicativas coletadas1 a partir de dados publicados por diversos fabricantes americanos e europeus. Além desses, o ventilador "plug" (que na verdade é uma variante do ventilador centrífugo) tem tido crescente popularidade nos últimos anos.
Figura 1: Curvas genéricas de ventiladores. Ventiladores reais podem diferir bastante dessas curvas simplificadas.
As curvas características do ventilador são mostradas na Figura 1. Essas são curvas exageradas e idealizadas, e os ventiladores reais podem diferir bastante delas; no entanto, é provável que apresentem características semelhantes. Isso inclui as áreas de instabilidade causadas por oscilações, onde o ventilador pode alternar entre duas vazões possíveis com a mesma pressão, ou como consequência da parada do ventilador (consulte Parada da caixa de fluxo de ar). Os fabricantes também devem identificar as faixas de trabalho "seguras" preferenciais em suas publicações.
Ventiladores centrífugos
Com ventiladores centrífugos, o ar entra no rotor ao longo de seu eixo e, em seguida, é descarregado radialmente com o movimento centrífugo. Esses ventiladores são capazes de gerar altas pressões e altas vazões. A maioria dos ventiladores centrífugos tradicionais é encapsulada em uma carcaça do tipo espiral (como na Figura 2) que atua para direcionar o ar em movimento e converter eficientemente a energia cinética em pressão estática. Para movimentar mais ar, o ventilador pode ser projetado com um rotor de "largura dupla e entrada dupla", permitindo a entrada de ar por ambos os lados da carcaça.
Figura 2: Ventilador centrífugo em carcaça espiral, com impulsor inclinado para trás
Existem vários formatos de pás que podem compor o impulsor, sendo os principais os curvados para a frente e para trás. O formato da pá determinará seu desempenho, sua eficiência potencial e o formato da curva característica do ventilador. Outros fatores que afetam a eficiência do ventilador são a largura da roda do impulsor, o espaço livre entre o cone de entrada e o impulsor em rotação e a área utilizada para descarregar o ar do ventilador (a chamada "área de sopro").
Este tipo de ventilador é tradicionalmente acionado por um motor com um arranjo de correia e polia. No entanto, com o aprimoramento dos controles eletrônicos de velocidade e a maior disponibilidade de motores comutados eletronicamente ('EC' ou sem escovas), os acionamentos diretos estão se tornando mais utilizados. Isso não apenas elimina as ineficiências inerentes a um acionamento por correia (que podem variar de 2% a mais de 10%, dependendo da manutenção²), mas também reduz a vibração, a manutenção (menos rolamentos e requisitos de limpeza) e torna o conjunto mais compacto.
Ventiladores centrífugos curvados para trás
Ventiladores curvados para trás (ou "inclinados") são caracterizados por pás que se inclinam na direção oposta à rotação. Eles podem atingir eficiências de cerca de 90% ao usar pás aerodinâmicas, como mostrado na Figura 3, ou com pás planas moldadas em três dimensões, e um pouco menos ao usar pás curvas simples, e ainda menos ao usar pás planas inclinadas para trás. O ar sai das pontas do impulsor a uma velocidade relativamente baixa, de modo que as perdas por atrito dentro da carcaça são baixas e o ruído gerado pelo ar também é baixo. Eles podem parar nos extremos da curva de operação. Impulsores relativamente mais largos proporcionam maior eficiência e podem empregar facilmente as pás perfiladas em aerofólio mais substanciais. Impulsores finos apresentam pouco benefício com o uso de aerofólios, portanto, tendem a usar pás planas. Ventiladores curvados para trás são particularmente conhecidos por sua capacidade de produzir altas pressões combinadas com baixo ruído e têm uma característica de potência sem sobrecarga – isso significa que, à medida que a resistência diminui em um sistema e a vazão aumenta, a potência consumida pelo motor elétrico diminui. A construção de ventiladores curvados para trás tende a ser mais robusta e um pouco mais pesada do que a de ventiladores curvados para frente, menos eficientes. A velocidade relativamente baixa do ar nas pás pode permitir o acúmulo de contaminantes (como poeira e gordura).
Figura 3: Ilustração de impulsores de ventiladores centrífugos
Ventiladores centrífugos curvados para frente
Ventiladores curvados para a frente são caracterizados por um grande número de pás curvadas para a frente. Como normalmente produzem pressões mais baixas, são menores, mais leves e mais baratos do que o ventilador curvado para trás motorizado equivalente. Conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, esse tipo de rotor de ventilador inclui mais de 20 pás que podem ser tão simples quanto formadas a partir de uma única chapa metálica. Eficiências aprimoradas são obtidas em tamanhos maiores com pás moldadas individualmente. O ar sai das pontas das pás com alta velocidade tangencial, e essa energia cinética deve ser convertida em pressão estática na carcaça – o que prejudica a eficiência. Eles são normalmente usados para volumes de ar baixos a médios em baixa pressão (normalmente <1,5 kPa) e têm uma eficiência relativamente baixa, abaixo de 70%. A carcaça espiral é particularmente importante para atingir a melhor eficiência, pois o ar sai da ponta das pás em alta velocidade e é usado para converter efetivamente a energia cinética em pressão estática. Eles operam em baixas velocidades de rotação e, portanto, os níveis de ruído mecânico gerado tendem a ser menores do que os ventiladores curvados para trás de alta velocidade. O ventilador tem uma característica de sobrecarga de energia quando opera contra baixas resistências do sistema.
Figura 4: Ventilador centrífugo curvado para frente com motor integrado
Esses ventiladores não são adequados onde, por exemplo, o ar está muito contaminado com poeira ou contém gotículas de gordura.
Figura 5: Exemplo de ventilador de acionamento direto com pás curvadas para trás
Ventiladores centrífugos de pás radiais
O ventilador centrífugo de pás radiais tem a vantagem de ser capaz de mover partículas de ar contaminadas a altas pressões (da ordem de 10 kPa), mas, operando em altas velocidades, é muito ruidoso e ineficiente (<60%) e, portanto, não deve ser usado em sistemas de climatização de uso geral. Ele também sofre de uma característica de sobrecarga de energia – à medida que a resistência do sistema é reduzida (talvez pela abertura dos amortecedores de controle de volume), a potência do motor aumenta e, dependendo do tamanho do motor, pode ocorrer uma "sobrecarga".
Ventiladores de tomada
Em vez de serem montados em uma carcaça espiral, esses impulsores centrífugos projetados para esse fim podem ser usados diretamente na carcaça da unidade de tratamento de ar (ou, na verdade, em qualquer duto ou plenum), e seu custo inicial provavelmente será menor do que o de ventiladores centrífugos alojados. Conhecidos como ventiladores centrífugos "plenum", "plug" ou simplesmente "sem alojamento", eles podem oferecer algumas vantagens de espaço, mas ao preço da perda de eficiência operacional (com as melhores eficiências sendo semelhantes às dos ventiladores centrífugos curvados para a frente alojados). Os ventiladores aspiram o ar através do cone de entrada (da mesma forma que um ventilador alojado), mas então descarregam o ar radialmente ao redor de toda a circunferência externa de 360° do impulsor. Eles podem fornecer uma grande flexibilidade de conexões de saída (do plenum), o que significa que pode haver menos necessidade de curvas adjacentes ou transições bruscas na tubulação que, por si só, aumentariam a queda de pressão do sistema (e, consequentemente, a potência adicional do ventilador). A eficiência geral do sistema pode ser melhorada usando entradas de boca de sino nos dutos que saem do plenum. Um dos benefícios do ventilador plug-in é seu desempenho acústico aprimorado, em grande parte resultante da absorção sonora dentro do plenum e da ausência de trajetórias de "visão direta" do impulsor para a boca da tubulação. A eficiência dependerá muito da localização do ventilador dentro do plenum e da relação do ventilador com sua saída – o plenum sendo usado para converter a energia cinética do ar e, assim, aumentar a pressão estática. Desempenhos substancialmente diferentes e estabilidades de operação diferentes dependerão do tipo de impulsor – impulsores de fluxo misto (fornecendo uma combinação de fluxo radial e axial) têm sido usados para superar problemas de fluxo resultantes do forte padrão de fluxo de ar radial criado usando impulsores centrífugos simples3.
Para unidades menores, seu design compacto geralmente é complementado pelo uso de motores EC facilmente controláveis.
Ventiladores axiais
Em ventiladores de fluxo axial, o ar passa através do ventilador em linha com o eixo de rotação (como mostrado no ventilador axial tubular simples da Figura 6) – a pressurização é produzida por sustentação aerodinâmica (semelhante a uma asa de aeronave). Estes podem ser comparativamente compactos, de baixo custo e leves, particularmente adequados para movimentar o ar contra pressões relativamente baixas, sendo frequentemente utilizados em sistemas de extração onde as quedas de pressão são menores do que em sistemas de suprimento – o suprimento normalmente inclui a queda de pressão de todos os componentes do ar condicionado na unidade de tratamento de ar. Quando o ar sai de um ventilador axial simples, ele estará em turbilhão devido à rotação transmitida ao ar à medida que passa pelo impulsor – o desempenho do ventilador pode ser significativamente melhorado por palhetas-guia a jusante para recuperar o turbilhão, como no ventilador axial de palhetas mostrado na Figura 7. A eficiência de um ventilador axial é afetada pelo formato da pá, pela distância entre a ponta da pá e a carcaça circundante e pela recuperação do turbilhão. O passo da pá pode ser alterado para variar eficientemente a saída do ventilador. Ao inverter a rotação dos ventiladores axiais, o fluxo de ar também pode ser revertido – embora o ventilador seja projetado para trabalhar na direção principal.
Figura 6: Um ventilador de fluxo axial tubular
A curva característica dos ventiladores axiais tem uma região de parada que pode torná-los inadequados para sistemas com uma ampla variação de condições operacionais, embora tenham o benefício de uma característica de potência sem sobrecarga.
Figura 7: Um ventilador de fluxo axial de palhetas
Ventiladores axiais de palhetas podem ser tão eficientes quanto ventiladores centrífugos curvados para trás e são capazes de produzir altos fluxos em pressões razoáveis (normalmente em torno de 2 kPa), embora provavelmente criem mais ruído.
O ventilador de fluxo misto é um desenvolvimento do ventilador axial e, como mostrado na Figura 8, possui um impulsor cônico onde o ar é aspirado radialmente através dos canais de expansão e, em seguida, passado axialmente através das palhetas-guia de endireitamento. A ação combinada pode produzir uma pressão muito maior do que a possível com outros ventiladores de fluxo axial. A eficiência e os níveis de ruído podem ser semelhantes aos de um ventilador centrífugo de curva reversa.
Figura 8: Ventilador em linha de fluxo misto
A instalação do ventilador
Os esforços para fornecer uma solução de ventilador eficaz podem ser severamente prejudicados pela relação entre o ventilador e os caminhos locais canalizados para o ar.
Horário da postagem: 07/01/2022