Os dois tipos mais comuns de ventiladores usados ​​em sistemas prediais com dutos são genericamente chamados de ventiladores centrífugos e axiais – o nome deriva da direção do fluxo de ar através do ventilador. Esses dois tipos, por sua vez, se dividem 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, manutenção e robustez).

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Tabela 1: Dados de eficiência máxima de ventiladores com diâmetro superior a 600 mm, publicados nos EUA e na Europa.

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Alguns dos tipos de ventiladores mais frequentemente encontrados em sistemas de climatização (HVAC) estão listados na Tabela 1, juntamente com as eficiências máximas indicativas coletadas¹ de dados publicados por diversos fabricantes americanos e europeus. Além desses, o ventilador tipo "plugue" (que na verdade é uma variante do ventilador centrífugo) tem ganhado popularidade nos últimos anos.

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Figura 1: Curvas genéricas de ventiladores. Os ventiladores reais podem diferir bastante dessas curvas simplificadas.

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As curvas características do ventilador são mostradas na Figura 1. Estas são curvas exageradas e idealizadas, e os ventiladores reais podem diferir bastante delas; no entanto, é provável que apresentem atributos semelhantes. Isso inclui as áreas de instabilidade que são devidas à oscilação, onde o ventilador pode alternar entre duas vazões possíveis na mesma pressão ou como consequência da perda de vazão (veja a seção "Perda de vazão"). Os fabricantes também devem identificar as faixas de operação "seguras" preferenciais em seus materiais de divulgação.

Ventiladores centrífugos

Nos ventiladores centrífugos, o ar entra no rotor ao longo de seu eixo e é expelido radialmente pelo movimento centrífugo. Esses ventiladores são capazes de gerar altas pressões e altas vazões. A maioria dos ventiladores centrífugos tradicionais é alojada em uma carcaça tipo espiral (como na Figura 2) que direciona o ar em movimento e converte eficientemente a energia cinética em pressão estática. Para movimentar mais ar, o ventilador pode ser projetado com um rotor de "entrada dupla e largura dupla", permitindo a entrada de ar por ambos os lados da carcaça.

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Figura 2: Ventilador centrífugo em carcaça espiral, com impulsor inclinado para trás.

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Existem diversos formatos de pás que podem compor o impulsor, sendo os principais os de pás curvadas para a frente e para trás. O formato da pá determinará seu desempenho, 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 rotativo e a área utilizada para a descarga do ar do ventilador (a chamada "área de sopro").

Tradicionalmente, esse tipo de ventilador era acionado por um motor com sistema de correia e polia. No entanto, com o aprimoramento dos controles eletrônicos de velocidade e a crescente disponibilidade de motores comutados eletronicamente (EC ou sem escovas), os acionamentos diretos estão se tornando mais frequentes. Isso não só elimina as ineficiências inerentes a um acionamento por correia (que podem variar de 2% a mais de 10%, dependendo da manutenção²), como também tende a reduzir a vibração, a necessidade de manutenção (menos rolamentos e limpeza) e a tornar o conjunto mais compacto.

Ventiladores centrífugos com pás curvadas para trás

Os ventiladores com pás curvadas para trás (ou 'inclinadas') são caracterizados por pás que se inclinam para longe da direção de rotação. Podem atingir eficiências próximas a 90% quando utilizam pás com perfil aerodinâmico, como mostrado na Figura 3, ou com pás planas moldadas em três dimensões, e um pouco menos quando utilizam pás curvas planas, e ainda menos quando utilizam pás planas inclinadas para trás. O ar sai das extremidades do rotor a uma velocidade relativamente baixa, portanto as perdas por atrito dentro da carcaça são baixas e o ruído gerado pelo ar também é baixo. Podem entrar em estol nos extremos da curva de operação. Rotores relativamente mais largos proporcionarão maiores eficiências e podem facilmente empregar as pás com perfil aerodinâmico mais robusto. Rotores mais finos apresentarão pouco benefício com o uso de perfis aerodinâmicos, portanto, tendem a usar pás planas. Os ventiladores com pás curvadas para trás são particularmente notáveis ​​por sua capacidade de produzir altas pressões combinadas com baixo ruído e por possuírem uma característica de potência sem sobrecarga – isso significa que, à medida que a resistência em um sistema diminui e a vazão aumenta, a potência consumida pelo motor elétrico também diminui. A construção de ventiladores com pás curvadas para trás tende a ser mais robusta e consideravelmente mais pesada do que a de ventiladores com pás curvadas para frente, que são menos eficientes. A velocidade relativamente baixa do ar que passa pelas pás pode permitir o acúmulo de contaminantes (como poeira e gordura).

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Figura 3: Ilustração de rotores de ventiladores centrífugos

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Ventiladores centrífugos com pás curvadas para a frente

Os ventiladores com pás curvadas para a frente caracterizam-se 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 os ventiladores com pás curvadas para trás equivalentes. Conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, este tipo de rotor de ventilador inclui mais de 20 pás, que podem ser tão simples quanto moldadas a partir de uma única chapa metálica. Obtêm-se eficiências melhoradas em tamanhos maiores com pás moldadas individualmente. O ar sai das pontas das pás com uma alta velocidade tangencial, e esta energia cinética tem de ser convertida em pressão estática na carcaça – o que reduz a eficiência. São normalmente utilizados para volumes de ar baixos a médios a baixa pressão (normalmente <1,5 kPa) e têm uma eficiência relativamente baixa, inferior a 70%. A carcaça espiral é particularmente importante para alcançar a melhor eficiência, uma vez que o ar sai da ponta das pás a alta velocidade e é utilizado para converter eficazmente a energia cinética em pressão estática. Funcionam a baixas velocidades de rotação e, consequentemente, os níveis de ruído mecânico gerado tendem a ser menores do que os dos ventiladores com pás curvadas para trás de alta velocidade. A ventoinha apresenta uma característica de sobrecarga de potência quando opera com baixas resistências do sistema.

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Figura 4: Ventilador centrífugo com pás curvadas para a frente e motor integrado.

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Esses ventiladores não são adequados para locais onde, por exemplo, o ar está muito contaminado com poeira ou contém gotículas de gordura.

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Figura 5: Exemplo de ventilador de acionamento direto com pás curvadas para trás

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Ventiladores centrífugos com pás radiais

O ventilador centrífugo com pás radiais tem a vantagem de movimentar partículas de ar contaminadas em altas pressões (da ordem de 10 kPa), mas, operando em altas velocidades, é muito ruidoso e ineficiente (<60%), não devendo, portanto, ser utilizado em sistemas HVAC de uso geral. Além disso, apresenta uma característica de sobrecarga de potência – à medida que a resistência do sistema é reduzida (possivelmente pela abertura de dampers de controle de volume), a potência do motor aumenta e, dependendo do seu tamanho, pode ocorrer uma sobrecarga.

Ventiladores de tomada

Em vez de serem montados em uma carcaça espiral, esses impulsores centrífugos projetados especificamente para essa finalidade 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 com carcaça. Conhecidos como ventiladores centrífugos de plenum, plug ou simplesmente sem carcaça, eles podem oferecer algumas vantagens de espaço, mas ao custo de perda de eficiência operacional (com as melhores eficiências sendo semelhantes às dos ventiladores centrífugos com carcaça e pás curvadas para frente). Os ventiladores aspiram o ar pelo cone de entrada (da mesma forma que um ventilador com carcaça), mas descarregam o ar radialmente ao redor de toda a circunferência externa de 360° do impulsor. Eles podem proporcionar grande flexibilidade nas conexões de saída (a partir do plenum), o que significa que pode haver menos necessidade de curvas adjacentes ou transições acentuadas na tubulação, que por si só aumentariam a queda de pressão do sistema (e, portanto, a potência adicional do ventilador). A eficiência geral do sistema pode ser melhorada com o uso de entradas em forma de sino nos dutos que saem do plenum. Uma das vantagens do ventilador de fluxo contínuo é o seu melhor desempenho acústico, resultante principalmente da absorção sonora dentro do plenum e da ausência de linhas de visão direta entre o impulsor e a entrada do duto. A eficiência dependerá muito da localização do ventilador dentro do plenum e da relação entre o ventilador e a sua saída – o plenum é utilizado para converter a energia cinética do ar e, assim, aumentar a pressão estática. O desempenho e a estabilidade de operação variam substancialmente dependendo do tipo de impulsor – impulsores de fluxo misto (que proporcionam uma combinação de fluxo radial e axial) têm sido utilizados para superar problemas de fluxo resultantes do forte padrão de fluxo de ar radial criado com impulsores centrífugos simples³.

Para unidades menores, seu design compacto é frequentemente complementado pelo uso de motores EC de fácil controle.

Ventiladores axiais

Em ventiladores axiais, o ar passa pelo ventilador alinhado com o eixo de rotação (como mostrado no ventilador axial tubular simples da Figura 6) – a pressurização é produzida pela sustentação aerodinâmica (semelhante à asa de uma aeronave). Esses ventiladores podem ser comparativamente compactos, de baixo custo e leves, sendo particularmente adequados para movimentar ar contra pressões relativamente baixas. Por isso, são frequentemente usados ​​em sistemas de exaustão, onde as quedas de pressão são menores do que em sistemas de insuflação – a insuflação normalmente inclui a queda de pressão de todos os componentes de ar condicionado na unidade de tratamento de ar. Quando o ar sai de um ventilador axial simples, ele estará girando devido à rotação imposta ao ar ao passar pelo rotor – o desempenho do ventilador pode ser significativamente melhorado por palhetas guia a jusante para recuperar a turbulência, como no ventilador axial com 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 da turbulência. O passo da pá pode ser alterado para variar eficientemente a vazão do ventilador. Ao inverter a rotação dos ventiladores axiais, o fluxo de ar também pode ser invertido – embora o ventilador seja projetado para funcionar na direção principal.

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Figura 6: Um ventilador de fluxo axial tubular

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A curva característica dos ventiladores axiais apresenta uma região de estol que pode torná-los inadequados para sistemas com uma ampla gama de condições de operação, embora tenham a vantagem de uma característica de potência que não causa sobrecarga.

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Figura 7: Um ventilador de fluxo axial com pás

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Os ventiladores axiais de pás podem ser tão eficientes quanto os ventiladores centrífugos de pás curvadas para trás e são capazes de produzir altos fluxos a pressões razoáveis ​​(normalmente em torno de 2 kPa), embora provavelmente gerem 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, passa axialmente pelas pás guia de retificação. A ação combinada pode produzir pressões muito maiores do que as possíveis com outros ventiladores de fluxo axial. A eficiência e os níveis de ruído podem ser semelhantes aos de um ventilador centrífugo de pás curvadas para trás.

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Figura 8: Ventilador em linha de fluxo misto

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A instalação do ventilador

Os esforços para fornecer uma solução eficaz de ventilação podem ser seriamente prejudicados pela relação entre o ventilador e os dutos de ventilação locais.

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Data da publicação: 07/01/2022