MÁQUINAS DE FLUXO

PROF.: KAIO DUTRA

VENTILADORES

Definição◦Ventiladores são Turbomáquinas operatrizes,

também designadas por máquinas turbodinâmicas,que se destinam a produzir o deslocamento degases.

◦Os ventiladores são usados nas industrias emventilação, climatização e em processos industriais,como na indústria siderúrgica nos alto-fornos e emsinterização; em muitas indústrias nas instalaçõesde caldeiras; em pulverizadores de carvão, emqueimadores, em certos transportadorespneumáticos e em muitas outras aplicações.

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Classificação◦Quanto ao nível energético de pressão:

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Classificação◦Segundo a modalidade construtiva:◦ Centrífugos;

◦Hélico-centrífugos;

◦Axiais.

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Classificação◦Segundo a forma das pás:◦ Pás radiais retas;

◦ Pás inclinadas para trás,planas ou curvas;

◦ Pás inclinadas para frente;

◦ Pás inclinadas de saídaradial.

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Classificação◦Segundo o número de entradas deaspiração no rotor:◦ Entrada unilaterial ou simples aspiração;

◦ Entrada bilateral ou dupla aspiração

◦Segundo o número de entradas deaspiração no rotor:

◦ Simples estágio;

◦Duplo estágio.

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Fundamentos e TeoriaDiagrama de Velocidades

◦Onde:◦ U é a velocidade circunferencial,

periférica, tangente àcircunferência;

◦ W é a velocidade relativa dapartícula percorrendo a trajetóriacorrespondente ao perfil da pá;

◦ V é a velocidade absoluta, somavetorial de U e W.

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Fundamentos e TeoriaEquação da Energia

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Fundamentos e TeoriaExemplo

◦ Um ventilador de fluxo axial opera a 1200 rpm. O diâmetro da ponta da pá é 1,1m e odiâmetro eixo é 0,8m. Os ângulos de entrada e saída das pás são 30° e 60°, respectivamente.Pás-guia de entrada dão um ângulo de 30° ao escoamento absoluto entrando no primeiroestágio. O fluido é ar na condição padrão e o escoamento pode ser consideradoincompressível. Não há variação na componente axial da velocidade através do eixo. Admitaque o escoamento relativo entra e sai do rotor nos ângulos geométricos da pá e use aspropriedades do raio médio da pá para os calculos. Para estas condições idealizadas, desenheo diagrama de velocidade de entrada, determine a vazão em volume do ventilador, desenhe odiagrama de velocidade de saída e calcule a potência e o torque mínimo neccessários paraacionar o ventilador.

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a) Diagrama de velocidade de entrada e saída

b) Vazão em volumec) Torque no rotord) Potência requerida

Fundamentos e TeoriaPotências

◦ Potência útil: Adquirida pelo fluido em suapassagem pelo ventilador;

◦ Potência de elevação: Cedida pelas pás dorotor ao fluido;

◦ Potência Motriz: Potência fornecida pelamotor ao eixo do ventilador.

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Potência motriz:

Potência motriz em cv:

Fundamentos e TeoriaRendimentos

◦Redimento Hidráulico:

◦Rendimento Mecânico:

◦Rendimento Total:

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Fundamentos e TeoriaExemplo

◦Qual a potência motriz de um ventilador com pressão efetiva ou absolutade 36mmca. Vazão de 5m³/s de ar e peso específico de 1,2Kgf/m³,admitindo-se rendimento total de 0,7?

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Grandezas Características◦As grandezas que caracterizam as condições de funcionamento de

ventiladores são:

◦Rotação n;

◦Diâmetro do rotor D;

◦Vazão Q;

◦Altura de elevação H;

◦ Potência N;

◦Rendimento η.

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Grandezas Características◦Recorrendo-se a ensaios de

laboratório, os fabricantes elaboramtabelas e gráficos, publicados emfolhetos e catálogos, que permitemaos usuários uma fácil e rápidaescolha do ventilador e uma análisedo seu comportamento.

◦As curvas que traduzem adependência entre características,chamam-se curvas características.

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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Grandezas Características

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◦ Para o modelo 20RU450, determinea potência do motor, a rotação e orendimento do ventilador necessáriopara obter Q=4000m³/h com 20kPacom acionamento direto.

Grandezas Características

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◦ Para o modelo 20RU450, determinea potência do motor, a rotação e orendimento do ventilador necessáriopara obter Q=4000m³/h com 20kPacom acionamento direto.

◦ P=0,55KW;

◦ n=680rpm;

◦ Ef=74,8%

Leis de Semelhança◦A partir do conhecimento das condições com as quais um ventilador

funciona é possível aplicar as leis da semelhança para determinar seucomportamento em condições de funcionamento diferentes.

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Velocidade Específica◦ Suponha um ventilador que deva

funcionar com n(rpm), Q(m³/h),H(mmca) e N(cv). Pode-se imaginar umventilador geometricamentesemelhante a este e que seja capaz deproporcionar uma vazão unitária sobuma altura manométrica tambémunitária. Um tal ventilador sedenomina ventilador unidade e onúmero de rotações com que iria giraré denominado velocidade específica edesignado por ns.

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Velocidade Específica

◦ Q em L/s;

◦ H em mmca;

◦ n em rpm.

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Velocidade EspecíficaExemplo

◦Qual o tipo de ventilador parauma vazão de 1,2m³/s capaz deequilibrar uma pressão estáticade 80mmca, admitindo-se que omesmo gire com 750rpm?

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Coeficientes Adimensionais◦ No projeto de rotores de ventiladores

emprega-se coeficientes baseados em ensaiosexperimentais e na constatação docomportamento de inúmeros ventiladoresconstruídos.

◦ Uma vez calculada a velocidade específica,sabe-se o tipo de rotos. Conforme o tipo,adota-se valor correspondente para essescoeficientes, de modo a se determinar avelocidade periférica e o diâmetro externo daspás.

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Velocidades Periféricas Máximas◦Velocidades periféricas de

ar elevadas tanto no rotorquanto à saída doventilador produzemelevadas vibrações das páse ruídos acima do aceitável.

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Velocidades Periféricas MáximasExemplo

◦ Suponhamos que se pretenda umventilador para Q=5m³/s; H=32mmcae n=600rpm. Qual será o diâmetro dorotor?

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Escolha Preliminar do Tipo de Rotor

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Escolha Preliminar do Tipo de Rotor

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Curva Característica do Sistema◦O gás, ao passar pelo

interior do ventilador,recebe do mesmo umaenergia que, referida àunidade de peso de gás, sedenomina altura útil deelevação Hu, que é igual a:

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Curva Característica do Sistema◦ Com Hu, o gás deverá

vencer as resistência aolongo do sistema e sairá doduto com uma energiacinética residual V4²/2g quese dissipará no meio, destaforma:

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Controle da Vazão◦Nos sistemas de ventilação é comum

realizar-se a variação de vazão pormeio de registros do tipo borboletaou do tipo veneziana, com lâminasparalelas.

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Controle da Vazão◦A vazão em um sistema podem

também ser alterada variando-se onúmero de rotação do eixo.

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Operação Em Série◦Quando se necessita de uma pressão

relativamente elevada no sistema, pode-serecorrer à associações com ventiladores emsérie ou uso de ventiladores de doisestágios .

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Operação Em Paralelo◦ Certas instalações industriais

operam em uma faixa de vazão queas vezes é difícil de ser atingida coma utilização de um único ventilador.Recorre-se então à associação emparalelo de dois ventiladores.

◦ Existem ventiladores com rotores deentrada bilateral equivalentes a doisrotores de entrada unilateral.

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Efeito da Variação da Densidade Sobre o Ponto de Operação◦A altitude local e a temperatura de

operação dos gases afetam o valorda densidade.

◦A variação da densidade, emboranão afete a vazão volumétrica, afeta,contudo, a descarga em massa, aaltura manométrica e o consumo depotência.

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Efeito da Variação da Densidade Sobre o Ponto de Operação◦As tabelas dos fabricantes são

elaboradas para o chamado arpadrão (1,2Kgf/m³), na temperaturade 21,1°C e ao nível do mar(760mmHg).

◦A variação de temperatura afeta adensidade do gás, a qual éinversamente proporcional àtemperatura absoluta.

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𝜕 = 1,2273 + 21,1

273 + 𝑇(°𝐶)𝑘𝑔𝑓/𝑚³ 𝜕2 = 𝜕1

𝑃(𝑚𝑚𝐻𝑔)

760𝑚𝑚𝐻𝑔

Instalações de Ventiladores Em Condições Perigosas

◦Nas indústrias, os ventiladores muitas vezes devem operar em ambientescontendo vapores, líquidos, gases e poeiras inflamáveis.

◦Desta forma, existem certos parâmetros que orientam o projetista e quedizem respeito ao risco que vapores e gases oferecem a irrupção e àpropagação de um incêndio. Vejamos os principais:◦ Ponto de Fulgor: Temperatura mais baixa a partir da qual um líquido emite vapor em

quantidade suficiente para provocar uma centelha;

◦ Ponto de Inflamação: Temperatura acima da qual toda a mistura de vapor e arinflamará mantendo uma combustão contínua durante 5 segundos;

◦ Limites de Inflamabilidade: Faixa correspondente ao valor da concentração do gás ouvapor no ar.

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Efeito da Variação da DensidadeExemplo

◦Determine o peso específico e a densidade do ar quando a temperatura éde 35°C numa localidade onde a pressão atmosférica é de 670mmHg. Umventilador que opera em condições padrão com H=200mmca e N=5Cv,com que valores operaria?

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Trabalho proposto◦Utilize a tabela de perda de carga para tubulações metálicas

apresenta nesta aula, para a vazão de 12 m³/hora, gere um gráficoonde seja possível encontrar a perda de carga para qualquerdiâmetro de tubulação. Gere uma curva de tendência com maiorgrau possível e deixe a equação desta curva pronta no Excel paracalcularmos a pera de carga, em sala de aula, e conferir com ográfico.

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