Modelo de monografia -...

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Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA

PARA ENSAIO DE VENTILADORES AXIAIS

Anderson Carlos de Barros

Itatiba – São Paulo – Brasil

2009

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Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA

PARA ENSAIO DE VENTILADORES AXIAIS


Monografia apresentada à disciplina Trabalho de

Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica

Automação e Sistema da Universidade São Francisco, sob

a orientação do Prof. Lourival Matos Filho, como

exigência parcial para conclusão do curso de graduação.

Itatiba – São Paulo – Brasil

2009

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Projeto e Desenvolvimento de uma bancada para ensaios de

Ventiladores Axiais


Monografia defendida e aprovada em 16 de Dezembro de 2.009 pela Banca

Examinadora assim constituída:

Prof Lourival Matos Filho (Orientador)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof Dr Eduardo Balster Martins


Prof Dr Fernado César Gentile (Membro Interno)


4

A meus pais Antonio Carlos e Cecília, sem os

quais não chegaria até aqui.

A minha querida esposa Luciana, que me ensinou

a fé e o amor.

A minha querida filha, Giovana, a quem tantas

horas de brincadeiras e jogos foram adiadas sem

que este compreendesse o porquê de “papai está

trabalhando”.

Sou eternamente grato a todos.

5

.Agradecimentos

Agradeço primeiramente professor Lourival, meu orientador, que acreditou em mim e

incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros percalços do trajeto.

Agradeço muito mais ao Professor Eduardo Balster, um companheiro de percurso e de

discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho, agraciando-me incontáveis

vezes com sua paciência, conhecimento e amizade.

Alguns experimentos e vários “entendimentos” não teriam sido possíveis sem a colaboração

dos técnicos do laboratório Celso, Baptista e o pessoal da manutenção da Esur Engenharia.

Eu agradeço fraternalmente a todos.

6

Sumário

Resumo .................................................................................................................................... vii

1 Introdução ........................................................................................................................... 1

1.1 Objetivo ......................................................................................................................... 2

1.1 Justificativa .................................................................................................................... 2

2 Revisão Bibliográfica ......................................................................................................... 3

2.1 Linha do tempo da evolução tecnológica .......................................................................3

2.2 Aspéctos teóricos ...........................................................................................................5

2.2.1 Tipos de ventiladores ............................................................................................. 5

2.2.2 Conservação de energia aplicada a ventiladores ...................................................8

2.2.3 Tubo de Pitot ..........................................................................................................9

2.2.3.1 Principios de funcionamento............................................................................9

2.2.3.2 Determinação do perfil de velocidade numa tubulação .................................10

2.2.4 Leis dos Ventiladores ...........................................................................................12

2.2.4.1 Primeira Lei ....................................................................................................12

2.2.4.2 Segunda Lei ....................................................................................................13

2.2.4.3 Terceira Lei ....................................................................................................14

3 Metodologia experimental ............................................................................................... 15 3.1 Descrição do problema ................................................................................................ 15

3.2 Projeto da bancada de ensaio ....................................................................................... 16

3.3 Montagem da bancada de ensaio ................................................................................. 17

3.4 Procedimento experimental ......................................................................................... 20

3.4.1 Obtenção dos valores das alturas manométricas ...............................................20

3.4.2 Utilizando os valores obtidos ............................................................................21

4 Resultados ......................................................................................................................... 26 4.1 Tabelas de resultados obtidos ...................................................................................... 27

4.2 Gráficos dos pefis de escoamento .............................................................................. 29

4.3 Curva característica do ventilador ............................................................................... 32

5 Conclusão .......................................................................................................................... 34

5.1 Extensões ..................................................................................................................... 34

6 Referencias Bibliográficas ............................................................................................... 36

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Resumo

Com o surgimento de novas tecnologias em ventilação industrial, os ventiladores

axiais evoluíram de forma a alcançar o máximo rendimento com menor custo. O objetivo

principal deste trabalho é projetar, construir e testar uma bancada experimental para avaliação

de desempenho de ventiladores axiais. A construção do equipamento de ensaio atenderá ao

padrão exigido para a realização de testes em ventiladores. Com a variação da restrição do

fluxo de ar através de uma válvula, será possível levantar a curva característica do ventilador

(pressão total x vazão). As tomadas de pressão serão obtidas através de manômetro

diferencial acoplado a um tubo de pitot. Para as medidas, a rotação do ventilador deve operar

de acordo com a recomendação do fabricante. Na metodologia experimental para obtenção da

vazão será utilizado o método de resolução gráfica. Um procedimento experimental deverá

ser criado para o levantamento.

PALAVRAS-CHAVE: Ventiladores Axiais / Ensaios de Ventiladores.

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1. INTRODUÇÃO

Os ventiladores são máquinas de fluxo motoras que transferem energia aos gases

através da ação de um rotor ou hélice. Sistemas de ventilação possuem a função de conduzir

os gases entre ambientes, através de dutos, etc. Os ventiladores são dispositivos mecânicos

utilizados para converter energia mecânica aplicada em seu eixo, em energia fluidodinâmica,

descrita como energia potencial de pressão e cinética.

Destacam-se em específico os ventiladores do tipo axial, que proporcionam um fluxo

axial, ou seja, o ar que incide perpendicularmente na hélice do ventilador mantém sua

direção.

Os ventiladores devem funcionar de maneira a obter o máximo de rendimento para

que não comprometam suas interfaces (polias, mancais, etc) e minimizem o uso da energia

disponível, normalmente elétrica.

Para a verificacão de desempenho de um ventilador tem-se a necessidade de

realização de ensaios e testes. Este desempenho é expresso através das curvas caracteristicas

dos ventiladores. Os ensaios são realizados com o ventilador acoplado a um tubo com seção

circular projetado para regular a admissão de ar, variando a vazão e consequentemente a

diferença de pressão entre a entrada e saída do ventilador.

Com essa metodologia, pode-se levantar a curva do ventilador medindo as diferentes

pressões e a vazão no duto de ensaio.

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1.1. Objetivos

O objetivo principal deste trabalho foi projetar construir e testar uma bancada

experimental para avaliação de desempenho de ventiladores axiais. Com a variação da

restrição do fluxo de ar através de uma válvula, é possível levantar a curva característica do

ventilador (pressão total x vazão). Para as medidas, a rotação do ventilador deve estar de

acordo com o determinado pelo fabricante. Um roteiro experimental foi elaborado a partir dos

ensaios para realização de experimentos posteriores.

1.2. Justificativa

Disciplinas do Curso de Engenharia Mecânica como: Mecânica dos Fluidos e

Sistemas Fluido Mecânicos não podem prescindir de uma visualização experimental dos

fenômenos e equipamentos estudados. Através dos ensaios realizados com a bancada de

testes proposta, os alunos das referidas disciplinas poderão aliar o ensinamento teórico à

visualização prática dos fenômenos de transporte de fluido e conversão de energia que

ocorrem na máquina de fluxo denominada ventilador.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 LINHA DO TEMPO DA EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA [ 1 ]

A seguir tem-se uma descrição sumariada dos principais eventos decorrentes da

evolução tecnológica dos ventiladores:

1863 - James Howden introduz um sistema de tiragem forçada mecânica para

fornalhas que utiliza um ventilador de fluxo axial acionado por uma turbina a

vapor.

1867 - Benjamin Franklin Sturtevant patenteia um ventilador rotativo de

exaustão.

1868 - A BF Sturtevant Co é pioneira no emprego de ventiladores com

tiragem mecânica para ventilação na indústria marítima, quando os seus

ventiladores são instalados no "USS Alliance".

1880 – A Bryan Donkin Co é pioneira no uso de alta compressão de gás na

Beckton Gas Works, no Reino Unido.

1882 - James Howden patenteia o "Sistema Howden de Tiragem Forçada", que

combina a tiragem forçada com a transferência de calor dos gases resultantes

da combustão para o ar de combustão admitido.

1886 - A Buffalo Forge Co é pioneira no uso de circulação centralizada de ar

aquecido para a ventilação de edifícios.

1898 - Samuel Davidson inventa o ventilador centrífugo com pás voltadas para

frente - o ventilador "Sirocco”.

11

1914 - A Buffalo Forge publica a primeira edição de "Engenharia de

Ventiladores", a obra padrão de referência para a indústria e movimentação de

ar e gás. Dez anos mais tarde a BF Sturtevant inventa o ventilador centrífugo

de pás inclinadas para trás.

1934 - Em conjunto com a ICI, a Howden desenvolve um sistema de

dessulfurização de gases de combustão (FGD) para emprego em usinas de

geração de energia.

Em meados da década de 1940 os irmãos Stork desenvolvem o ventilador

centrífugo com pás de aerofólio. O trabalho de desenvolvimento conjunto com

a Howden aumenta a eficiência dos ventiladores centrífugos para 90%.

1947 - A Howden fornece os sopradores principais dos dois primeiros grandes

reatores nucleares do mundo em Windscale, Reino Unido.

1951 - A Novenco fornece o primeiro ventilador de fluxo axial de passo

variável da indústria de geração de energia.

1982 - A Howden fornece a primeira turbina eólica da indústria de

fornecimento de energia no Reino Unido.

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2.2 ASPECTOS TEÓRICOS

2.2.1 Tipos de Ventiladores

Ventiladores são turbo máquinas geratrizes ou operatrizes, também designadas por

máquinas turbo dinâmicas, que se destinam a produzir o deslocamento dos gases.

Analogamente ao que ocorre com as bombas, a rotação de um rotor dotado de pás, acionado

por um motor, em geral elétrico, permite a transformação da energia mecânica em energia

potencial de pressão e energia cinética. Graças à energia adquirida, o fluido (no caso gases)

torna-se capaz de escoar em dutos, vencendo as resistências que se opõem ao seu

deslocamento, proporcionando a vazão desejada conforme projeto [2].

A função básica de um ventilador é mover uma dada quantidade de ar por um sistema

de ventilação a ele conectado. Assim, o ventilador deve gerar uma pressão estática suficiente

para vencer as perdas do sistema e uma pressão dinâmica para manter o ar em movimento

[3].

Existem vários critérios segundo os quais pode-se classificar os ventiladores:

a) Segundo critérios energéticos de pressão [2]:

Baixa pressão: até uma pressão efetiva de 200 mmH2O

Média pressão: para pressões de 200 a 800 mmH2O

Alta pressão: para pressões de 800 a 2.500 mmH2O

Pressões acima: para pressões 2.500 a 10.000 mmH2O

b) Segundo a modalidade construtiva [3]:

Centrífugo de pás radiais: É um ventilador robusto, para movimentar efluentes

com grande carga de poeira, poeiras pegajosas e corrosivas. A eficiência desse tipo de

ventilador é baixa, e seu funcionamento é barulhento, conforme Figura 2.1e.

Centrifugo de pás para trás: Possui eficiência elevada e não é adequado para

trabalhos de alta pressão, conforme Figura 2.1d.

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Axial propulsor: É o tipo mais barato para mover grandes volumes de ar a baixas

pressões e é frequentemente utilizado para circulação de ar ambiente e raramente para

ventilação local exaustora, conforme Figura 2.1a.

Turbo axiais: Trata-se de um propulsor, com pás mais grossas e mais largas,

colocado dentro de um tubo, o que permite sua direta conexão em dutos, conforme Figura

2.1c.

Axial com aerofólios: Possui uma ampla calota central, que possibilita sua

utilização a pressões mais elevadas e é utilizado freqüentemente em minas subterrâneas e em

alguns casos em indústrias, conforme Figura 2.1b.

Figura 2.1 - Tipos de ventiladores quanto à modalidade construtiva [2].

c) Segundo a forma das pás [2]:

Pás radiais retas, Figura 2.2a;

Pás inclinadas para trás: planas, Figura 2.2e; pás curvas, Figura 2.2b; chapa lisa

ou com perfil em asa;

Pás inclinadas para frente: Figura 2.2c;

Pás curvas de saída radial: Figura 2.2d.

Figura 2.2 - Tipos de ventiladores quanto à forma das pás [1].

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d) Segundo o número de entradas de aspiração no rotor [2]:

Entrada unilateral ou simples aspiração

Entrada bilateral ou dupla aspiração

e) Segundo o número de rotores [2]:

Simples estágio, ou seja, apenas um rotor (para o caso em estudo)

Duplo estágio, com dois rotores montados num mesmo eixo. O ar, após passar

pela caixa do primeiro estágio, penetra no segundo com a energia proporcionada pelo

primeiro (menos as perdas) e recebe a energia do segundo rotor somando-as. Com esta

configuração conseguem pressões elevadas da ordem de 3.000 a 4.000 mmH2O, conforme

Figura 2.3.

Figura 2.3 - Ventilador de duplo estágio [1].

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2.2.2 Conservação da Energia Aplicada a Ventiladores

O ventilador é estudado como uma máquina de fluido incompressível, uma vez que o

grau de compressão que nele se verifica é tão pequeno, que não é razoável analisar seu

comportamento como se fosse uma máquina térmica. Quando a compressão é superior a

10.000 mm H2O, empregam-se os turbo compressores, cuja teoria de funcionamento, em

princípio, é a mesma dos ventiladores, havendo, porém a necessidade de levar em

consideração os fenômenos termodinâmicos decorrentes da compressão do ar e os aspectos

inerentes ao resfriamento dessas máquinas [2].

Conforme a Figura 2.4, os pontos 1 e 2 representam, respectivamente, as seções de

entrada e saída do ventilador (bocas de sucção e descarga). A diferença de cota entre as

seções de entrada e saída do ventilador é desprezível frente aos outros termos.

Figura 2.4 - Instalação de um ventilador axial [2].

A partir da Equação de Bernoulli aplicada à entrada e saída do ventilador, tem-se a

energia por unidade de peso de fluido (J/N) transferida ao fluido, representada pela equação a

seguir.

2

1

1

2

VV

m

W2

1

2

2 vdpggg

útil

[2.1]

Onde:

W útil/ gm = energia especifica transferida pelo ventilador ao fluido, m

v2 = velocidade na descarga, m/s

v1 = velocidade na sucção, m/s

2

1

1vdp

g

= variação de energia potencial de pressão, m

g2

VV2

1

2

2

= variação de energia cinética, m

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2.2.3. Tubo de pitot

2.2.3.1 Princípios de funcionamento:

Figura 2.5 – Esquema da posição do tubo de pitot numa instalação [4].

No ponto 01 da figura 2.5, a energia total referida à unidade de peso (H1) é dada pela

equação 2.2:

H1 = . [2.2]

P1 = pressão estática em 1

γ = peso especifico do fluido

g = aceleração gravitacional

z = cota do ponto no referencial Z

No ponto 02, na entrada do tubo de pitot, a partícula que estava no ponto 01 é

desacelerada até a velocidade nula.

Devido à proximidade entre os pontos 01 e 02, pode-se considerar que não houve

dissipação de energia, isto é, a energia total referida à unidade de peso é igual nos dois pontos

resultando na equação 2.3:

[2.3]

17

A pressão estática P1 (efetiva) é dada pela altura de coluna de fluido acima da linha

com a cota Z, ou seja, h1. A pressão total efetiva P2 (efetiva) é dada pela altura h:

[2.4]

Portanto, através da leitura de coluna de fluido no tubo de Pitot, pode-se obter a

velocidade do escoamento na cota Z.

2.2.3.2 Determinação do perfil de velocidade numa

tubulação:

Figura 2.6 – Tubo de Pitot em uma tubulação [4].

A equação de Bernoulli aplicada entre os pontos 01 e 02 na figura 2.6 [2.5] e a

equação do manômetro diferencial [2.6]:

[2.5]

[2.6]

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Substituindo a equação 2.6 na equação 2.5, tem-se:

[2.7]

Onde:

γ1 = peso especifico do fluido no duto (no caso ar a temperatura ambiente)

γ2 = peso especifico do fluido no manômetro diferencial

h = altura do fluido no tubo de pitot

Então, através do deslocamento radial do tubo de pitot no interior da tubulação, pode-

se levantar o diagrama de velocidades na seção estudada conforme figura 2.7:

Figura 2.7 – Posições do tubo de pitot para o deslocamento radial da tubulação

Um gráfico poderá ser plotado com os valores da posição do tubo de pitot na seção

transversal do duto (mm) versus a velocidade do ar (m/s) conforme figura 2.8:

Figura 2.8 – Exemplo de perfil de escoamento num duto

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2.2.4. Leis dos Ventiladores

A curva característica de um ventilador, isto é, a relação funcional entre a pressão

total e a vazão, é apresentada pelo fabricante para uma condição padrão, definida para o ar à

pressão de 760 mmHg e à temperatura de 20C, com o peso específico de 1,2 kgf / m³, ou

densidade de 1,2 kg / m³ [5].

Um ventilador só operará nesta condição padrão em situação excepcional pois a

pressão atmosférica varia com a altitude do local de instalação e também com as condições

climáticas, alterando a pressão de sucção do ventilador. A temperatura ambiente tambem irá

sofrer alterações, e a densidade de referência, consequentemente, dificilmente será constante

e igual a 1,2 kg/m³ [ 5 ].

Para contemplar este efeito, a curva característica do ventilador, consequentemente,

deverá ser recalculada para uma condição média de operação. Este procedimento é realizado

recorrendo-se à definição da pressão total e às relações de similaridade das máquinas de fluxo

[ 5 ].

2.2.4.1 Primeira Lei dos Ventiladores:

A 1ª lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica

(pressão total x vazão) quando a rotação do ventilador varia de nI para nII, mas o peso

específico padrão se mantém em γI = γII. Assim, se a rotação varia, consequentemente a vazão

sofrerá variação, e tambem a pressão total e a potência. As relações de similaridade

determinarão os novos valores destas grandezas. A nova vazão será:

n

nI

II

III [2.8]

20

Onde:

n é a rotação do rotor

I vazão em m³/s

A pressão (Hu) total resultará em relação ao RPM (n):

nnHH

I

IIuu III

2

[2.9]

Para a nova potência (N) tem-se:

nn

NNI

IIIII

3

[2.10]

2.2.4.2 Segunda Lei dos Ventiladores:

A 2a lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica

(pressão total x vazão) quando o peso específico do fluido de trabalho é diferente do padrão

γI γII porém a vazão é constante I = II.

Então, se a vazão é constante, pela relação de similaridade consequentemente a

rotação também é constante nI = nII.

I

IIIII nn [2.11]

Da mesma forma, se a rotação é constante, também é a altura de elevação HH III .

Para a potência (N) resulta:

I

IIIII NN [2.12]

21

2.2.4.3 Terceira Lei dos Ventiladores:

A terceira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva

característica (pressão total x vazão) quando o peso específico do fluido de trabalho é

diferente do padrão γI γII mas a pressão total constante é a referência no procedimento

ptotalI = ptotalII.

A nova vazão ( I) será determinada conforme a equação a seguir :

II

I

III [2.13]

Se a vazão ( I) varia com a raiz quadrada do inverso do peso específico (γ), também

da mesma forma variará a rotação (n) conforme a equação a seguir:

II

IIII nn [2.14]

Finalmente a potência (N) resulta:

II

IIII NN [2.15]

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3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Este capítulo da monografia trata das metodologias aplicadas ao trabalho, partindo da

descrição do problema, seguindo do projeto de construção da bancada e dos cálculos

utilizados para a obtenção dos resultados.

3.1 Descrição do problema

Para projetos que envolvem dimensionamento de sistemas de ventilação, é necessário

ter em mãos as informações técnicas do ventilador como vazão, pressão, etc e também da

perda de carga do sistema (tubulações).

Para obter o valor da perda de carga de um sistema de ventilação é necessário a

realização de cálculos e medidas in loco das singularidades da tubulação (curvas,

comprimentos, estreitamentos, etc). Estas perdas dividem-se em perdas localizadas e perdas

distribuídas.

Com os dados analisados, obtém-se um gráfico da perda de carga total do sistema (m)

em função da vazão (m³/h).

No caso dos ventiladores, uma análise importante é a determinação de sua curva

característica, ou seja, um gráfico contendo os valores de pressão (mm coluna de água) versus

vazão (m³/h) obtidos experimentalmente.

A curva do ventilador é obtida experimentalmente através de uma bancada denominada

Bancada de Ensaios de Ventiladores, que obedece a padrões internacionais.

As dificuldades na realização dos ensaios numa bancada para ensaios de ventiladores

axiais parte da pequena variação de pressão gerada pelo ventilador. Este tipo de ventilador

gera grande volume de ar (alta vazão) e baixa pressão comparado aos outros tipos de

ventiladores.

23

3.2 Projeto da bancada de ensaio:

A figura 3.1 apresenta um modelo de uma bancada experimental para ensaios de

ventiladores axiais:

Figura 3.1 – Modelo de bancada experimental [4].

Seguem as indicações construtivas da bancada de ensaio:

O duto para o projeto da bancada deverá ser maior que 10 vezes a medida do diâmetro

interno do tubo. Com este comprimento pode-se garantir que o fluido em questão (ar

atmosférico) tenha percorrido a região de entrada da tubulação;

Para a variação de vazão do ar no equipamento de ensaio, uma válvula deverá estar

instalada no final do duto. Esta válvula deverá possuir dispositivo para a sua abertura

e fechamento e vedações com a finalidade de evitar fuga de ar;

O ventilador deve estar posicionado na extremidade oposta da válvula de ajuste de

vazão, pois este deve forçar o ar a ultrapassar a restrição gerada pela válvula;

Um dispositivo de tomada de pressão deve estar instalado a uma distância de 10 vezes

o tamanho do diâmetro do duto. Este dispositivo deve possuir a mobilidade de

percorrer toda a seção transversal interna do duto para obter as tomadas de pressão

definidas na seção transversal do tubo;

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3.3 Montagem da bancada de ensaio:

Para a confecção do duto de ensaio, utilizou-se um tubo de PVC com 200 mm de

diâmetro interno e 10 mm de parede totalizando 220 mm de diâmetro externo. Seu

comprimento é de 2.300 mm, ultrapassando o tamanho limite mínimo estipulado na

norma;

Para a variação do fluxo de ar no interior do duto, uma válvula cônica foi instalada

juntamente com um fuso para sua movimentação (abertura e fechamento). No ponto

de contato da válvula cônica com o duto, uma borracha de vedação foi adaptada para

impedir fuga de ar. Figuras 3.2, 3.3 e 3.4;

Figura 3.2 – Válvula cônica. Figura 3.3 – detalhe da válvula.

Figura 3.4 – Fuso da válvula.

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Adotou-se um ventilador axial marca MA VIB de fabricação italiana. Este

equipamento é comumente utilizado em sistemas de refrigeração (geladeiras e

freezers). O diâmetro da pá é de 200 mm, construída em alumínio. A alimentação do

motor elétrico é de 220V monofásico / 60 Hz com rotação de 1500 RPM. O ventilador

foi posicionado na extremidade oposta a válvula cônica conforme figura 3.5:

Figura 3.5 – Ventilador axial.

Para as aquisições de pressão estática e de velocidade, um tubo de pitot do tipo

elipsoidal com 300 mm de haste e diâmetro do furo de 1,5 mm foi instalado distante

2.000 mm do ventilador. Este possui uma placa de posicionamento dotada de orifícios

para seu correto posicionamento na seção transversal interna do duto. As uniões da

tubulação do tubo de pitot foram vedadas com silicone. Figuras 3.6 e 3.7;

Figura 3.6 – Tubo de Pitot. Figura 3.7 – Placa de posicionamento.

26

Posições do tubo de pitot para a realização do ensaio, figura 3.8;

Figura 3.8 – Pontos de medição de velocidade do ar definidos.

Para a visualização dos valores de pressão, um manômetro diferencial foi instalado no

tubo de pitot;

Utilizou-se um paquímetro da marca Mitutoyo de 150 mm com precisão de 0,05 mm

para as medições de coluna de água;

Foi utilizado um multímetro da marca Minipa modelo ET2082B com a finalidade de

medir a corrente elétrica do motor.

27

3.4 Procedimento experimental:

3.4.1 Obtenção dos valores das alturas manométricas:

A figura 3.9 apresenta as tomadas de alturas no tubo de pitot: ponto 01

mede-se a altura manométrica estática (h estática) e o ponto 02 a altura manométrica total

(h total).

Figura 3.9 – Pontos de tomada de altura manométrica no Tubo de pitot [ 6 ].

A medida da altura manométrica de velocidade resulta na equação:

h velocidade = h total – h estática [3.1]

Onde:

h = mm de coluna d’água

a) Iniciar o ensaio com a válvula cônica totalmente fechada e ligar o ventilador

axial na rede de energia elétrica. Posicionar a haste do tubo de pitot no ponto 01

da placa de furos conforme figura 3.8;

b) Aguardar a estabilização e anotar os valores da corrente, medir as alturas

manométricas da pressão estática e pressão total observando nos manômetros

diferenciais com o auxilio do paquímetro;

28

c) Repetir os passos a e b para todas as cinco posições do tubo de pitot na região

utilizando os furos previamente marcados como guia da placa conforme figura

3.8;

d) Após, abrir a válvula cônica nas posições conforme figura 3.10: posição

totalmente fechada; posição 01, com 10 mm de abertura; posição 02, com 15 mm

de abertura; posição 03, com 50 mm de abertura; posição 04, com 70 mm de

abertura e posição 05, com 100 mm de abertura (totalmente aberta) conforme

figura 3.10. Repetir os passos de a até c para cada abertura da válvula;

Figura 3.10 – Posições de abertura da válvula cônica.

3.4.2 Utilizando os valores obtidos:

a) Com os valores obtidos, alimentar a planilha para facilitar os cálculos

conforme exemplo da tabela 3.1:

Tabela 3.1 – Apresentação dos dados obtidos.

posição

do pitot

pressão

estática

pressão

total

h

velocidade

corrente

(A) v (m/s) Vm (m/s) H médio (mm)

posição 1

posição 2

posição 3

posição 4

posição 5

posição 6

posição 7

29

b) Utilizando a equação 3.1 obtém-se o h velocidade que será utilizado para o

cálculo da velocidade do ar em cada posição do tubo de pitot. Repetir os

cálculos para as cinco aberturas da válvula cônica;

c) Com o h de velocidade de cada ponto da seção transversal do duto, utilizá-lo

para calcular a velocidade do ar com a equação 3.2:

[ 3.2 ]

d) Com os valores de velocidade do ar para cada posição do tubo de pitot que

percorreu a seção transversal do duto, pode-se gerar o gráfico da velocidade

do ar versus posição do pitot. Este procedimento resulta no gráfico do perfil

de escoamento no duto conforme exemplo da figura 3.11;

Figura 3.11 – Exemplo de perfil de escoamento.

e) Repetir o procedimento anterior para cada abertura da valvula cônica. Com

este procedimento serão formados cinco gráficos da posição do tubo de pitot

(mm) versus velocidade (m/s);

f) Aplicar o método de integração gráfica para a obtenção da vazão para cada

ensaio como segue:

30

A partir dos pontos medidos de velocidade do ar sugeridos no

experimento conforme figura 3.7;

Levando em consideração que o duto de ensaio possui seção

transversal circular e assumindo que a distribuição de velocidade é

axisimétrica, pode-se verificar através destas considerações que o

perfil de velocidade resulta no formato de um cone e a vazão é o

resultado de seu volume;

Para calcular o volume do cone, parte-se do princípio do cálculo da

área de um trapézio e realizando uma revolução de sua área, resulta

no volume de um aro. A somatória de cada aro resulta no volume

total do cone conforme apresentado na figura 3.12;

Figura 3.12 – Volume de um aro.

Cada revolução do aro resulta na equação:

Área do aro = π * (r² externo – r² interno) [ 3.3 ]

Os raios interno e externo são os valores das distâncias entre os

pontos de medição do tubo de pitot;

31

Área do trapézio:

Área trapézio = [(base maior + base menor) / 2] * altura [ 3.4 ]

As bases maiores e menores coincidem com as velocidades medidas.

Sua altura é a diferença da distância radial de cada ponto de medição

da seção transversal sendo a mesma largura do aro;

Unindo as equações:

Volume do aro = {[(base maior + base menor) / 2] * (r² externo – r² interno)} * π [3.5]

Com a somatória destes anéis, obtém-se a vazão total na seção para

cada abertura da válvula cônica.

g) Com os valores de vazão para cada abertura da válvula cônica, é possível

determinar a velocidade média (Vm) da seção transversal do duto através da

equação 3.6:

Vm = Q / A [3.6]

A = área da seção transversal da tubulação m²

h) O valor da velocidade média (Vm) é utilizado para o cálculo do Número de

Reynolds conforme equação 3.7:

[3.7]

Onde:

= velocidade média do fluido (m/s)

= diâmetro do duto (m)

= viscosidade dinâmica do fluido (N*s / m²)

= massa especifica do fluido (kg / m³)

Observação: foi utilizado o valor de 1,81x10^-5 Ns/m² para ar a temperatura de 20°C.

32

i) Depois de se obter o valor da vazão e o valor médio da altura estática (hsm

pela equação 3.8) para cada abertura da válvula cônica pode-se obter a curva

característica do ventilador: pressão estática x vazão;

hsm=∑ h estático medido / 7 medidas [3.8]

hsm = altura manométrica estática média

33

4. Resultados:

Este capitulo trata dos resultados do experimento que foi realizado no dia 07/10/2009

das 20:00 até as 21:45 horas no laboratório de Sistemas Fluidomecanicos da Universidade

São Francisco em Itatiba, SP. A temperatura ambiente era de 20°.

Observou-se que os resultados gerados durante o ensaio foram coerentes com que é

apresentado na literatura.

Verificou-se que os valores de corrente não sofreram variação durante o ensaio. Este

fato esta relacionado com o tipo de ventilador ensaiado (tipo axial) que opera com baixa

pressão e com isso não submetendo o motor a grandes esforços.

Foram adicionados dois pontos de posicionamento do tubo de pitot (pontos 01 e 07)

que estão localizados nas extremidades do duto (próximos as paredes) pois a velocidade do ar

na área de contato com o tubo é nula.

As posições de abertura da vávula parte de totalmente fechada e após, abrindo-a

respeitando as posições sugeridas na metodologia, figura 4.1.

Figura 4.1 – Posições de abertura da válvula cônica.

34

4.1 Tabelas de resultados:

A seguir, as tabelas apresentam os resultados das alturas manométricas, corrente,

velocidade do ar nos pontos de deslocamento do tubo de pitot, vazões, velocidades médias e

número de Reynolds obtidas durante o ensaio e após as realizações dos cálculos:

Tabela 4.1 - Válvula cônica totalmente fechada.

posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total

(mm)corrente (A) v (m/s) Vm (m/s) H médio (mm) Vazão (m³/h) Nº Reynolds

ponto 1 10,85 10,85 0,28 0,00

ponto 2 10,85 10,85 0,00

ponto 3 11 11 0,00

ponto 4 11,2 11,2 0,00

ponto 5 10,9 10,9 0,00

ponto 6 10,4 10,4 0,00

ponto 7 10,4 10,4 0,00

0 10,87 0 0

Tabela 4.2 - Válvula cônica na posição 01.

posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total


ponto 1 10,8 10,8 0,28 0,00

ponto 2 10,75 10,8 1,08

ponto 3 10,5 10,8 2,66

ponto 4 10,3 11 4,06

ponto 5 10,2 10,7 3,43

ponto 6 10,4 10,5 1,53

ponto 7 10,4 10,4 0,00

2,49 10,44 282,48 33082


posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total


ponto 1 7,00 7,00 0,26 0,00

ponto 2 6,80 7,00 2,17

ponto 3 6,50 7,50 4,85

ponto 4 5,60 7,80 7,19

ponto 5 5,75 7,60 6,60

ponto 6 6,00 6,90 4,60

ponto 7 6,90 6,90 0,00

4,70 6,35 531,00 62187

35


posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total


ponto 1 8,40 8,40 0,26 0,00

ponto 2 4,25 8,40 9,88

ponto 3 3,25 8,60 11,22

ponto 4 2,10 9,00 12,74

ponto 5 2,40 8,70 12,17

ponto 6 3,20 8,00 10,63

ponto 7 8,00 8,00 0,00

9,53 4,83 1077,72 126214


posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total


ponto 1 3,00 3,00 0,26 0,00

ponto 2 3,00 9,70 12,55

ponto 3 2,10 10,00 13,63

ponto 4 2,10 10,20 13,80

ponto 5 1,50 10,10 14,22

ponto 6 2,50 9,60 12,92

ponto 7 2,50 2,50 0,00

11,05 2,24 1249,38 146317


posição

pitot

pressão

estática (mm)

pressão total


ponto 1 1,30 1,30 0,26 0,00

ponto 2 1,30 10,20 14,47

ponto 3 0,90 10,30 14,87

ponto 4 0,20 10,70 15,72

ponto 5 0,10 10,00 15,26

ponto 6 1,10 10,20 14,63

ponto 7 1,10 1,10 0,00

12,27 0,72 1387,87 162536

36

4.2 Gráficos do perfil do escoamento:

A seguir, nas figuras 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 e 4.7 são apresentados os perfis de

escoamento resultantes das variações de abertura da válvula cônica. Os valores são de

velocidade do ar (m/s) versus a posição do tubo de pitot (mm).

Os gráficos apresentados resultaram nas aberturas da válvula cônica como segue:

gráfico 4.2, totalmente fechada; gráfico 4.3, posição 01; gráfico 4.4, posição 02; gráfico 4.5,

posição 03; gráfico 4.6, posição 04; gráfico 4.7, posição 05:

Figura 4.2 – válvula totalmente fechada

Figura 4.3 – abertura da válvula na posição 01

37




38


No inicio do ensaio, com a válvula parcialmente aberta, a velocidade do ar nas

periferias do duto apresentava menor valor e quanto na parte central um alto valor. A medida

que a válvula cônica se abria, os resultados gráficos dos perfis de escoamento do ar no

interior do duto apresentava uma forma achatada, perpendicular a parede do duto. Isto se

explica pelo fato de que para baixas vazões, o perfil de velocidade aproxima-se de um perfil

parabólico, o que é esperado de um escoamento laminar. Para vazões maiores o perfil é

achatado, o esperado para escoamentos turbulentos.

A medida que se aumentava a vazão, consequentemente a velocidade aumentava e

tambem o valor do número de Reynolds que variou de 33.082 e atingindo o seu valor

máximo de 162.536.

Através dos cálculos do número de Reynolds, comprovou-se que o escoamento foi

turbulento durante todo o ensaio e aumentando gradativamente com o aumento da vazão.

39

4.3 Curva característica do ventilador hsm (mm) x vazão (m³/h):

Tabela 4.7 – Resultados para a curva característica.

Figura 4.8, Curva característica do ventilador para rotação de 1.500 RPM.

O gráfico gerado da curva característica do ventilador axial é formado a partir dos

valores da altura média de pressão estática (hsm em mm de coluna de água) e valores de

vazão (Q em m³/h) que se assemelha com os apresentados na literatura apresentado a seguir

na figura 4.9.

Vazão (m³/h) Pressão (mm coluna H2O)

1387,87 0,72

1249,38 2,24

1077,72 4,83

531,00 6,35

282,48 10,44

0 10,87

40

Figura 4.9. Curva característica apresentada na literatura.

A curva do ventilador é para uma rotação de 1.500 RPM. Caso a rotação seja

alterada, a curva do ventilador irá se modificar respeitando as Leis do Ventiladores

apresentada no item 2.2.4 da Monografia.

41

5. Conclusão:

A Pesquisa desenvolvida ao longo deste trabalho buscou analisar o comportamento de

um ventilador axial submetido a ensaios para obtenção de sua curva característica de maneira

prática e didática para melhor entendimento dos ensinamentos de Fenômenos de Transporte.

Os resultados foram satisfatórios pois a bancada obteve o comportamento esperado

proposto para o projeto. A dificuldade maior foi em relação as medidas de pressão que foram

relativamente baixas, requerendo grande atenção para as anotações dos valores de coluna

d´água.

Ao longo do tempo foi se tornando difícil na medida em que se aprofundava mais no

tema, devido á falta de material bibliográfico confiável e prático para consultas teóricas e

práticas. Assim, o projeto se baseou em poucas, mas confiáveis bibliografias para

desenvolver um futuro material para consulta e utilização da Bancada para ensaios de

Ventiladores Axiais com a finalidade de colocar em prática a teoria de Mecânica dos Fluídos

ensinadas nos primeiros anos do curso de Engenharia.

5.1 Extensões Este trabalho pode ser continuado instalando um ventilador axial com maior

capacidade de vazão para melhor avaliação da bancada de ensaios. Uma transição deve ser

confeccionada para o acoplamento do ventilador com diâmetro maior que o duto de ensaio

que possui diâmetro de 200 mm.

42

6. REFRÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] Http://www.howden.com/pt/HowdenHistory.htm, acesso em: 25 maio 2009.

[2]MACINTYRE, Archibald J. Ventilação Industrial. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC Livros

Técnicos e Científicos Editora S.A., 1990.

[3]MESQUITA, A.L.S.Engenharia de Ventilação Industrial. São Paulo:

CETESB/ASCETESB, 1977.

[4] Http://www.poli.usp.br/d/pme2333/Arquivos/Experiencia%20Tubo%20de%20 Pitot.pdf,

acesso em: 14 Outubro 2009

[5] Http://www.fem.unicamp.br/~em712/sisflu09.doc, acesso em: 19 maio 2009.

[6] MASANA, José T Ventiladores y Turbo compressores. Barcelona: Marcombo, 1966.

http://www.howden.com/pt/HowdenHistory.htm

http://www.poli.usp.br/d/pme2333/Arquivos/Experiencia%20Tubo%20de%20%20Pitot.pdf

http://www.fem.unicamp.br/~em712/sisflu09.doc

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