Todas as curvas de ventiladores de um catálogo são traçadas para ar padrão: 1.2 kg/m³, aproximadamente o ar a 20 °C ao nível do mar. Instale o mesmo ventilador numa cidade a 2,000 metros de altitude ou use-o para movimentar gás a 200 °C, e o ar que ele movimenta será muito menos denso. O ventilador continua a movimentar o mesmo volume à mesma velocidade, mas desenvolve menos pressão e absorve menos potência. A maioria dos erros de seleção em altitude ou com temperatura elevada ocorre por se esquecer um destes três factos ou por não se considerar o que acontece quando um ventilador para gases quentes arranca a frio.
O que a densidade altera e o que não altera
A uma velocidade fixa, um ventilador é uma máquina volumétrica. As leis dos ventiladores estabelecem diretamente a relação:
| Grandeza | Efeito da redução da densidade do ar à mesma velocidade |
|---|---|
| Caudal volumétrico (m³/h) | Inalterado |
| Pressão desenvolvida | Diminui proporcionalmente à densidade |
| Potência absorvida | Diminui proporcionalmente à densidade |
| Caudal mássico (kg/h) | Diminui proporcionalmente à densidade |
A resistência de um sistema de condutas também varia com a densidade, porque as perdas por atrito e nos acessórios dependem da densidade do ar que circula no sistema. Por isso, um ventilador ligado a uma conduta de ventilação simples, em altitude, continua a fornecer aproximadamente o mesmo caudal volumétrico que ao nível do mar: o ventilador e o sistema perdem capacidade em conjunto. As correções são importantes quando o requisito de pressão foi calculado para as condições reais do local, quando o processo requer uma massa de ar e não um volume, e quando a temperatura do gás varia durante o funcionamento.
Quanto menos denso é o ar
Rácios de densidade em relação ao ar padrão, para a atmosfera padrão internacional e ar seco:
| Altitude a 20 °C | Rácio de densidade | Temperatura do gás ao nível do mar | Rácio de densidade |
|---|---|---|---|
| 0 m | 1.00 | 0 °C | 1.07 |
| 500 m | 0.94 | 40 °C | 0.94 |
| 1,000 m | 0.89 | 60 °C | 0.88 |
| 1,500 m | 0.83 | 100 °C | 0.79 |
| 2,000 m | 0.78 | 150 °C | 0.69 |
| 2,500 m | 0.73 | 200 °C | 0.62 |
| 3,000 m | 0.69 | 300 °C | 0.51 |
| 3,600 m | 0.64 | 400 °C | 0.44 |
Os dois efeitos multiplicam-se. O ar a 40 °C num local a 1,500 metros de altitude tem um rácio de densidade de cerca de 0.78, igual ao do ar frio a 2,000 metros. Várias capitais da América Latina e da África Oriental situam-se entre 2,200 e 2,900 metros, onde um ventilador perde um quarto ou mais da pressão indicada no catálogo.
Como corrigir uma seleção, passo a passo
- Determine a densidade real com base na altitude do local e na temperatura do ar ou do gás movimentado pelo ventilador.
- Converta o requisito de pressão para ar padrão. Se o projetista do sistema calculou a pressão nas condições reais, divida-a pelo rácio de densidade para obter a pressão equivalente para ar padrão.
- Selecione no catálogo para o caudal volumétrico real e a pressão equivalente para ar padrão.
- Corrija a potência para as condições do local multiplicando a potência indicada no catálogo pelo rácio de densidade.
- Dimensione o motor para o ar mais denso que o ventilador encontrará, o que, no caso de um ventilador para gases quentes, corresponde normalmente ao arranque a frio.
Exemplo de cálculo: um ventilador tem de movimentar 5,000 m³/h contra 800 Pa, calculados para as condições do local, numa cidade a 2,240 metros de altitude, onde o ar está a 25 °C. O rácio de densidade é 0.75. A pressão equivalente para ar padrão é 800 ÷ 0.75, ou cerca de 1,070 Pa; por isso, seleciona-se no catálogo um ventilador para 5,000 m³/h a 1,070 Pa. No local, desenvolverá os 800 Pa necessários e absorverá cerca de 75% da potência indicada no catálogo.
Se o caudal volumétrico for o que importa, como acontece na maioria das aplicações de ventilação, não é necessária qualquer correção do caudal. Se o processo exigir uma massa de ar, como no fornecimento de ar de combustão, na secagem ou no transporte pneumático, o caudal volumétrico tem de ser aumentado dividindo-o pelo rácio de densidade, e a pressão deve ser recalculada para esse caudal superior.
Gás quente: o problema do arranque a frio
Um ventilador selecionado para gás a 200 °C tem um rácio de densidade de 0.62 durante o funcionamento normal. Quando arranca com a instalação fria, movimenta ar a 20 °C, que é 1.6 vezes mais denso, e absorve 1.6 vezes a potência de funcionamento. Um motor dimensionado para o regime a quente ficará sobrecarregado durante um arranque a frio. Há três soluções habituais:
- Dimensionar o motor para a condição a frio, aceitando que funcione com pouca carga quando estiver quente.
- Arrancar com o registo de entrada fechado e abri-lo à medida que o gás aquece, usando um interbloqueio para impedir que o registo abra totalmente enquanto o gás estiver frio.
- Utilizar um variador de frequência e limitar a velocidade até o gás atingir a temperatura. O controlo de velocidade também permite poupar energia posteriormente, conforme explicado em comparação dos métodos de controlo do caudal de ar dos ventiladores.
A temperatura elevada afeta tanto a construção como o desempenho do ventilador: os materiais do impulsor perdem resistência quando aquecem, pelo que a velocidade máxima segura diminui a temperaturas elevadas; os rolamentos e o motor são mantidos fora do fluxo de gás, normalmente mediante uma configuração com correia ou veio refrigerado e um defletor térmico no veio. O nosso ventilador centrífugo para altas temperaturas é construído segundo estes princípios, e o serviço de extração de fumos de emergência tem classificações próprias, abordadas em classificações de temperatura dos ventiladores de extração de fumos.
Motores em altitude e com temperaturas elevadas
Os motores normalizados são classificados para utilização até 1,000 metros, com ar de arrefecimento a uma temperatura máxima de 40 °C, condições nominais da norma IEC para motores. Acima dos 1,000 metros, o ar menos denso arrefece o motor com menor eficácia; acima dos 40 °C de temperatura ambiente, o motor funciona a uma temperatura superior. Por isso, a potência admissível é reduzida de acordo com as tabelas de desclassificação do fabricante. Um motor dimensionado com uma margem confortável ao nível do mar pode ter uma margem insuficiente num local quente e de grande altitude. A classe de isolamento e o grau de proteção são explicados em classe de isolamento do motor e grau IP.
Informações a enviar com um pedido de consulta
- Caudal volumétrico e indicação de se o requisito real é de caudal volumétrico ou mássico
- Pressão e indicação de se foi calculada para condições padrão ou reais
- Altitude do local e intervalo de temperaturas ambiente
- Temperatura do gás durante o funcionamento normal, no arranque e no valor máximo
- Composição do gás, humidade e teor de poeiras, caso não se trate de ar limpo
Com estas informações, a seleção é feita no ponto correto da curva, e o desempenho que medir durante a colocação em serviço corresponde ao que lhe foi indicado. Os princípios gerais de interpretação dos dados dos ventiladores encontram-se em especificações técnicas dos ventiladores explicadas.