CÁLCULO DOS ELEMENTOS DE UMA INSTALAÇÃO DE VENTILAÇÃO

Consiste no dimensionamento dos elementos da instalação e na determinação das perdas de carga a fim de estabelecer a potência mecânica necessária ao acionamento do motor do ventilador.

A equação básica para o dimensionamento é:

AV

v

3600

onde:A => área da seção em m2

V => vazão de ar em m3/hv => velocidade recomendada no elemento em m/s

VELOCIDADES RECOMENDADAS

Baseada em: custo de circulação do ar nível de ruído aspectos técnicos como arraste de poeiras, gotas, etc

A norma NBR 6410, tabela 13 dá uma série de valores recomendados para velocidades máximas. As tabelas 7-6 e 7-7 (Costa, 1977), determinam respectivamente velocidades para as bocas de insuflamento e de saída.

BOCAS DE INSUFLAMENTO

São as aberturas através das quais se introduz o ar no ambiente. Podem ser de parede ou de teto.

As de parede, conhecidas por grades (ou grelhas), podem ser: grades de palhetas horizontais e verticais fixas grades de palhetas horizontais e verticais de simples deflexão grades de palhetas horizontais e verticais de dupla deflexão

As bocas de insuflamento de teto podem ser de diversos tipos: difusores com anéis ou palhetas embutidos, sem indução interna - Aerofuso tipo S difusores com anéis ou palhetas em degraus sem indução interna - Aerofuso tipo ES difusores com anéis ou palhetas embutidos com indução interna - Anemostato tipo AC difusores com anéis ou palhetas em degraus com indução interna - Anemostato tipo AR difusores com saída central e com iluminação

Características das bocas de insuflamento:

INDUÇÃO => é o fenômeno pelo qual parte do ar ambiente entra em movimento devido ao choque com o ar insuflado que perde velocidade e se mistura ao ar secundário. A indução pode ser feita no interior ou no exterior da boca

DIVERGÊNCIA => é o ângulo formado pelo fluxo de ar nos planos horizontal e vertical que devido a indução cresce ao afastar-se da boca

JATO OU IMPULSÃO => é a distância percorrida pelo fluxo de ar desde o seu lançamento até que sua velocidade se reduza a um valor baixo (velocidade terminal), para que o choque do mesmo não produza correntes de ar desagradáveis na zona de ocupação (1,5 m a partir do solo). A tabela 7-8 recomenda valores para velocidade terminal.

Análise do Jato

jato

zona de ocupação

velocidade terminal

O jato depende da velocidade de insuflamento, v, da velocidade terminal, do tipo de boca e da divergência da mesmo:

Jato KV

Ae

onde:V => vazão em m3/sAe => área efetiva em m2

K => coeficiente que depende do tipo de boca, da divergência e da velocidade terminal (Tab. 7-9)

Como:

aA

Ae

onde: A => área total ou da face

Pode-se fazer:

Aa

K V

jato

12

vV

a A

PERDA DE CARGA

A perda de carga nas bocas de insuflamento é dada por:

pv

gboca 1

2

2

onde:1 => coeficiente de resistência (tabela 7-10)v => velocidade real na bocaa => coeficiente que relaciona a área efetiva e a área da face (tabela 7-9) = 1,2 kgf/m3 - peso específico do ar

SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DAS BOCAS DE INSUFLAMENTO

Através das bocas de insuflamento deve ser assegurada a distribuição uniforme do ar a uma altura adequada acima do piso, de modo que todas as correntes de ar se formem acima da linha de respiração. Esta linha de respiração deve ficar cerca de 1,5 m acima do piso (zona de ocupação).

1º) Escolher os pontos de insuflamento para uma distribuição uniforme do ar, definindo-se a área de atendimento de cada uma delas.Grades de parede => áreas retangularesDifusores de teto => áreas quadradas

2º) Escolher o tipo de boca atendendo a localização da mesma e a forma da área a atender.

Observação: anemostatos com indução interna permitem a injeção de ar com diferenças de temperatura elevadas sem o perigo de atingir as pessoas antes de estar suficientemente misturado com o ar ambiente.

3º) dimensionar o difusor a partir do tipo escolhido, jato, velocidade terminal recomendada e vazão necessária.

4º) calcular a perda de carga.

EXEMPLO: Cômodo de uma residência com 5 m X 5 mV= 1500 m3/h (0,42 m3/s)

Velocidade terminal = 0,5 m/s (Tab. 7-8)Aerofuso tipo S (jato praticamente na horizontal)jato = 5/2 = 2,5 mTab. 7-9 ====> a = 0,32 ; K = 2,36 Tab. 7-10 ====> 1 = 1

Aa

K V

jato

12

= 1

0 32

2 36 0 42

2 5

2

,

, ,

,

= 0,49 m2 ===> ( = 79 cm ou 70 cm X 70 cm)

vV

a A =

0 42

0 32 0 49

,

, , = 2,67 m/s < vmax (2,5 a 3,8 - Tab.7-6)

pv

gboca 1

2

2 = 1

2 67

2 9 811 2

2,

,, = 0,44 mmH2O

Observação: Alternativamente o dimensionamento dos difusores pode ser feito por meio de diagramas, geralmente recomendados pelos próprios fabricantes das grades e difusores.

CANALIZAÇÕES

TIPOS

Plenos => executadas na própria estrutura da construção em rebaixos do forro e vãos, com velocidade de escoamento de até 1,7 m/s. Em geral de seção constante.

Dutos de alta pressão => canalizações de seção circular onde o ar atinge velocidades superiores a 10 m/s e pressão estática entre 150 e 250 mmH2O - instalações industriais.

Dutos de baixa pressão => canalizações geralmente de seção retangular com velocidades de escoamento inferiores a 10 m/s e pressão estática de até 50 mmH2O - instalações para conforto.

MATERIAIS

chapas de aço galvanizado alumínio semi-duro cobre aço inoxidável aço recoberto com chumbo alvenaria cimento-amianto madeira plástico fibra de vidro etc

Para chapas galvanizadas a Tab 14 (NBR 6401) recomenda a bitola a ser adotada em função do diâmetro (dutos circulares) ou do lado maior (dutos retangulares).

REQUISITOS QUE DEVEM SER OBEDECIDOS EM UM PROJETO DE DUTOS PARA VENTILAÇÃO

a) o momento de transporte (vazão x distância) deve ser o mínimo, para obter-se uma canalização econômica;

b) adotar medidas que reduzam a perda de carga nos acessórios. Por exemplo: usar guias nas curvas, pequenos ângulos de divergência nas variações de seção;

c) nas bocas de insuflamento, usar captores dispostos perpendiculares à veia fluida, evitando-se a pressão cinética do escoamento;

d) o traçado da rede deve obedecer os tipos de distribuição: em linha, palmada ou mista;

e) o dimensionamento da canalização deve atender as velocidades recomendadas e pressões iguais em todas as bocas de insuflamento.

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO

Arbitragem da velocidade => adota-se velocidades recomendadas, não prevendo o equilíbrio das pressões dinâmicas nas bocas de insuflamento. É um processo impreciso, somente usado para os dutos principais, onde a vazão é comum a todas as bocas de insuflamento e a perda de carga não é causa de desequilíbrio de pressão dinâmica.

Igual perda de carga => consiste em adotar a mesma perda de carga por unidade de comprimento para todas a canalização. Este método também não atinge o equilíbrio de pressões desejado nas bocas de insuflamento.

Recuperação estática => consiste em recuperar a pressão estática da veia fluida, reduzindo a velocidade, a fim de vencer as perdas de carga entre as diversas bocas de insuflamento. Desta forma a velocidade ao longo da rede vais diminuindo (queda na pressão cinética), aumentando a pressão estática, que vai sendo consumida para vencer as perdas de carga em cada trecho, de tal forma que, em cada boca de insuflamento, a pressão de saída seja a mesma.

ENERGIA NOS DUTOS

O dimensionamento dos dutos é baseado na equação da continuidade e no princípio da conservação da energia para fluidos em escoamento.

1) Equação da continuidade

V = A. v para = cte

2) Equação de Bernoulli

haPa va

ghb

Pb vb

gJ

2 2

2 2

energia cinética energia de pressão (pressão estática)

energia de posição

3) Perda de carga

J haPa va

ghb

Pb vb

g

2 2

2 2

se ha = hb

JPa Pb va vb

g

2 2

2

DIMENSIONAMENTO DE CANALIZAÇÕES SEGUNDO O MÉTODO DA RECUPERAÇÃO DA PRESSÃO ESTÁTICA

a) Perda de carga por atrito em tubulações:

g

v

D

lJ

2

2

Se: 4

2

2

DvV

=> 22

4

D

Vv

, logo

gD

V

D

lJ

2

1642

221

, ou

5

2

210827,0D

VlJ

Para dutos de seção circular, feitos em aço galvanizado, a ASHRAE1(Associação Americana de Engenheiros de calor refrigeração e ar condicionado), recomenda o uso da equação prática de Fritsche-Biel:

61,0

51,2

22122,1

9,1

22102,5

9,1

21 001026,0001199,000188,0V

vl

D

vl

D

VlJ

Exemplo: Calcular a perda de carga em um duto circular de chapa de aço galvanizado de 10m de comprimento, com vazão de ar de 1m3/s e v=5 m/s

b) Recuperação de pressão (estática)

Aplicando-se a equação de Bernoulli entre as seções A e B:

g

vP

g

vP

22

2

22

2

11

2

2

2

112 2vv

gPPP

Fazendo a velocidade v2 < v1, resulsta que a recuperação na pressão estática P > 0.

Na prática, como os atritos na mudança de seção fazem com que essa recuperação de pressão não seja integral, considera-se um rendimento de 75%, e:

2

2

2

112 275,0 vv

gPPP

como: = 1,2 kgf/m3 e g=9,81 m/s2, em unidades do SI.

2

2

2

112 0459,0 vvPPP

Ganho esse, na pressão estática, que pode ser usado para vencer a perda de carga no trecho da canalização que vai até a próxima boca de insuflamento, assim a pressão estática será igual nos pontos de insuflamento 1 e 2.

1American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers, Inc.

c) Considerando o ganho na pressão estática (recuperação de pressão) igual a perda de carga no trecho seguinte, obtemos:

51,2

261,0212

2

2

1 001026,00459,0 vV

lvv

Exemplo: Calcular o diâmetro de um duto circular de chapa de aço galvanizado do trecho situado após a primeira boca de insuflamento sabendo-se que o comprimento do trecho é 6m, a vazão antes da boca é 0,8 m3/s e na boca 0,2 m3/s. A velocidade no trecho anterior à boca é de 5m/s.

DIÂMETRO EQUIVALENTE

Selecionada a velocidade v2 no trecho, podemos calcular a seção a adotar para o mesmo. A seção calculada deve ser circular, devido as equações adotadas. Podemos, entretanto, determinar uma seção retangular que, para a mesma vazão, provoque a mesma perda de carga que o duto circular considerado. O diâmetro da seção circular, nesse caso, recebe o nome de diâmetro equivalente da seção retangular em estudo e é calculado a partir da altura H e largura L da mesma. Como, entretanto, a seção retangular é maior do que a seção circular equivalente, a velocidade real no treco será menor do que a calculada, de modo que a recuperação de pressão será maior do que a perda de carga.

1) Resolve a equação

51,2

261,0212

2

2

1 001026,00459,0 vV

lvv

obtém-se o valor de v2.

2) Calcula o diâmetro equivalente que causa a mesma perda de carga

DV

veq 4

2

3) Usando a equação de Huebscher (mesma perda de carga para mesma vazão)

DL H

L Heq

1 3

0 625

0 25,

,

,

ou usar tabelas de diâmetros equivalente, obtem-se o valor dos lados L x H

4) Recalcula a v2

vV

L H2

Exemplo: Sabendo-se que l1-2 = 5m, V = 1 m3/s, v1 = 5 m/s, calcular v2 para um duto retangular de L/H = 2.

COMPRIMENTO EQUIVALENTE

O comprimento equivalente de um acessório de um duto de diâmetro D é o comprimento que o um duto de mesmo diâmetro que, substituido pelo acessório, provoca a mesma perda de carga.

Jv

gacessório 1

2

2= J

l

D

v

gdutoe

2

2

l De

1

A tabela 7-15 (Costa, 1977) traz valores de 1 e le para os principais acessórios de canalizações de ventilação.

l1 lcurva l2 lequivalente

BOCAS DE DESCARGA

Tipos: venezianas comuns de chapa ou madeira; grades com palhetas retas ou em V; Telas perfuradas; Cogumelos.

Localização: no teto para extração de fumos e odores (evitar curto-circuito); nas paredes a 20 cm do piso ou junto ao forro; na parte inferior das portas; no piso => uso de cogumelo: evita a extração do pó e obriga o ar a passar uniformemente

pela zona de ocupação.

Dimensionamento:

AV

v f

(área livre) => onde vf (velocidade aparente/face) => tabela 7-7 vv

af

Perda de carga:

Jv

g 1

2

2 => onde 1 e a são obtidos da tabela 7-16.

TOMADAS DE AR EXTERNO

Tipos: idem as bocas de descarga, exceto cogumelos.

Localização: junto a casa de máquinas.

Dimensionamento

AV

v f

vf => tabela 13 da NBR 6401

Perda de carga:

Jv

g 1

2

2 => onde 1 e a são obtidos da tabela 7-16.

FILTROS

Tipos: tela galvanizada; lã de vidro; filtros de pano; filtros de plástico esponjoso.

Localização: junto a casa de máquinas.

Dimensionamento:

AV

v f

vf => tabela 7-4

Perda de carga:

Jv

g 1

2

2 => onde 1 é da tabela 7-17.

VENTILADORES

Tipos: centrífugo com pás voltadas para a frente => alta pressão, grande vazão, alto ruído. centrífugo com pás voltadas para atrás => média pressão, média vazão, baixo ruído. axial => baixa pressão, alta vazão, médio ruído.

A tabela 7-18 relaciona as classes de utilização em função da velocidade periférica (vp), principal responsável pelo ruído em uma instalação:

vN

m spRPM

60

[ / ]

Ruído Utilização vp

Classe I Residências <20 m/sClasse II Edifícios públicos 20 a 30 m/s

Classe III Edifícios industriais >30 m/s

Os ventiladores centrífugos podem ser: simples aspiração dupla aspiração

Localização: casa de máquinas => ventilação geral diluidora

DimensionamentoO dimensionamento exterior do ventilador pode ser feito a partir das velocidades recomendadas pela tabela 7-4, adotando-se a expressão:

Vn v

2

11 4,onde n vale 1 para ventiladores de simples aspiração e 2 para de dupla aspeiração, de modo que:

11 4, V

n v

as demais dimensões externas podem ser obtidas em função do diâmetro (), com auxílio da figura 7-32 e da tabela a seguir:

Grandeza Simples aspiração Dupla aspiraçãon 1 2L 0,8 1,44

Hmax 2,2 2,2 h

Potência:

PP Vt

75

onde:V => vazão de ar a movimentar (m3/s);Pt => diferença de pressão total no ventilador em kgf/m2 (= mmH2O) => rendimento do sistema moto-ventilador que varia de 0,3 a 0,7 de acordo com a máquina (dado pelo fabricante)

P J Rpv

gt 2

2

J => numa instalação normal de ventilação, deve ser incluídas para o cálculo, as seguintes parcelas: tomada de ar externo; canalização da tomada de ar exterior; filtro; duto principal; bocas de insuflamento; bocas de descarga;

canalização de descarga.