Ventilador centrífugo: especificidades do dispositivo e princípio de funcionamento do aparelho

Com o desenvolvimento do setor industrial, um grande número de processos tecnológicos exigiu o fornecimento forçado de ar. O setor doméstico também não ficou de fora. Para garantir alguns tipos de comunicações, é necessário um fluxo regular de ar fresco.

Uma solução elegante para esse problema foi o ventilador centrífugo, que é capaz de pressurizar autonomamente a quantidade necessária de massa de ar. Mas como ele é construído e como funciona? São essas questões que abordaremos em detalhes em nosso artigo.

Vamos considerar as características construtivas do dispositivo, suas capacidades, área de aplicação, melhores fabricantes cujos produtos estão disponíveis no mercado. E também daremos recomendações para a escolha do modelo de ventilador adequado.

A essência da pressurização e rarefação do ar pelo ventilador

O ventilador é uma construção mecânica capaz de processar o fluxo de mistura gás-ar, aumentando sua energia específica para posterior movimentação.

Essa arquitetura do agregado permite criar o efeito de pressurização ou rarefação do gás de trabalho no espaço, aumentando ou diminuindo a pressão respectivamente (mecanismo de conversão de energia).

Por pressão gasosa entende-se o processo infinito de movimento caótico das moléculas de gás que, ao colidirem com as paredes de um espaço fechado, criam pressão sobre elas.

Consequentemente, quanto maior a velocidade dessas moléculas, mais colisões e maior a pressão. A pressão do gás é uma das principais características do gás.

Por outro lado, qualquer gás tem mais dois parâmetros: volume e temperatura. Volume é a quantidade de espaço que o gás preencheu. A temperatura do gás é uma característica termodinâmica que relaciona a velocidade das moléculas e a pressão que elas geram.

Nestes “três pilares” baseia-se a teoria cinético-molecular, que é a base para descrever todos os processos relacionados ao tratamento de gases e misturas gasosas.

O processo de compressão consiste em concentrar forçadamente as moléculas em um espaço fechado acima de um certo limite. Por exemplo, a pressão atmosférica padrão na superfície da Terra é de aproximadamente 100 kPa (10⁵ quilo Pascais) ou 760 mmHg (milímetros de mercúrio).

Com o aumento da altitude acima da superfície da Terra, a pressão diminui e o ar se torna rarefeito.

Pressão atmosférica – é o peso da coluna de ar em relação à área da superfície sobre a qual se encontra. Não é massa, mas sim peso P=mg. É medida com um barômetro; os outros tipos de pressão são determinados com um manômetro.

O vácuo (ou rarefação) é o processo inverso da compressão, durante o qual as moléculas deixam o sistema fechado. O volume permanece o mesmo, mas o número de moléculas diminui significativamente, consequentemente, a pressão também diminui.

O efeito de compressão é necessário para a movimentação forçada do ar. É possível a movimentação do ar através do efeito de vácuo: para restaurar o equilíbrio de pressão em todo o sistema, as moléculas se movem de uma região de maior concentração para uma de menor concentração.

Dessa forma ocorre a movimentação das moléculas de gás.

Para determinar a velocidade do fluxo de ar no exterior ou interior de um edifício, frequentemente se utiliza um instrumento especial – o anemômetro. Um dispositivo indispensável para o projeto de sistemas de ventilação.

Existem diversas configurações de sistemas de ventilação, mas elas podem ser divididas em várias classes de acordo com certos parâmetros:

1. Por finalidade. Distinguem-se ventiladores de uso geral e especial. Os ventiladores são usados para movimentação comum de gás. Ventiladores especiais são usados para transporte pneumático, transporte de misturas gasosas agressivas e explosivas.
2. Por velocidade. Existem com baixa, média e alta frequência específica de rotação do rotor com pás.
3. Por faixa de pressão. Conhecem-se sistemas de geração de baixa (até 1 kPa), média (1–3 kPa) e alta (acima de 3 kPa) pressão.

Alguns processos industriais e domésticos que utilizam sopradores ocorrem em condições ambientais extremas, portanto, requisitos correspondentes são exigidos para o equipamento.

Assim, podemos falar de unidades à prova de poeira, à prova de umidade, resistentes ao calor, resistentes à corrosão, à prova de faíscas, dispositivos para exaustão de fumaça e ventiladores comuns.

Informações sobre os tipos de ventiladores são detalhadas em outro nosso artigo.

Construção do ventilador do tipo centrífugo

O sistema de construção centrífuga é um mecanismo de pressurização com arquitetura radial, capaz de gerar pressão de qualquer faixa.

Projetado para transportar gases mono e poliatômicos, incluindo compostos quimicamente “agressivos”.

A construção é “revestida” por uma carcaça metálica/plástica, chamada de invólucro de proteção. A cobertura protege a câmara interna contra poeira, umidade e outras substâncias que podem afetar negativamente o funcionamento do equipamento.

Um produto de ventilação de qualidade sempre possui uma determinada classe de proteção. O grau de proteção do invólucro (Ingress Protection) é um padrão internacional único de qualidade do produto, que determina o nível de proteção do equipamento contra a influência do ambiente.

O ventilador do tipo radial desenvolve uma pressão significativamente maior do que a versão axial. Isso se deve à transmissão de energia à porção de ar que entra no tambor, energia esta formada durante a transição da entrada para a saída do sistema.

O mecanismo é acionado por um motor elétrico ou motor de combustão interna (característico de ventiladores industriais). O método mais comum é o motor elétrico, que gira o eixo com a hélice.

Existem várias formas de transmissão do movimento rotativo do motor para o impulsor:

• Acoplamento elástico;
• transmissão por correia em V;
• Transmissão contínua (acoplamento deslizante hidráulico ou indutivo).

Considerando a existência de um grande número de fabricantes que criam sistemas únicos com parâmetros dinâmicos muito diversos, os consumidores têm à sua disposição uma vasta gama de ventiladores.

O corpo possui dois canais principais: entrada e saída. A mistura gasosa entra no primeiro canal, desloca-se para a câmara, onde é processada, e depois sai pelo outro.

Como resultado do intenso trabalho dos desenvolvedores, temos uma ampla gama de aplicações para essas máquinas, incluindo:

• Sistemas de ventilação e aquecimento em casas particulares e edifícios de vários andares;
• Fornecimento e purificação de ar para edifícios não residenciais;
• Sistemas de filtração na agricultura;
• Execução de processos tecnológicos na indústria leve e pesada de diversos segmentos.

Existem também aplicações de sopradores em sistemas de combate a incêndios e substituição ultrarrápida de ar em espaços confinados.

Esses ventiladores trabalham com misturas gasosas de alta temperatura, o que obriga os fabricantes a incluir na documentação técnica informações sobre a conformidade de seus equipamentos com as normas internacionais.

A construção comprovada e simples do mecanismo centrífugo apresenta uma série de vantagens evidentes:

• Alta confiabilidade e desempenho inigualável;
• Facilidade e acessibilidade na manutenção do equipamento;
• Segurança na integração e operação dos equipamentos;
• Custos mínimos com energia e reparos em caso de falha.

Além disso, os sopradores se distinguem por um limiar de ruído bastante baixo, o que permite sua aplicação em ambientes domésticos. Os ventiladores centrífugos também possuem uma vida útil excepcionalmente longa devido à ausência de contato direto das peças móveis na câmara de trabalho.

Características do ciclo de trabalho do dispositivo

Vamos considerar o princípio geral de funcionamento de um soprador centrífugo de construção radial. Observe que os especialistas distinguem duas construções principais de ventilador: com disposição axial e radial da abertura de entrada, por onde o fluxo de ar é aspirado.

Isso afeta principalmente a forma de montagem do ventilador no sistema e praticamente não afeta o desempenho geral.

O ventilador de tipo radial pode funcionar tanto com ar comum, que ele capta do ambiente, quanto com ar em fluxo que passa através do duto de ar (efeito de equilíbrio de áreas com diferentes pressões).

A abertura de entrada axial é característica de sopradores de pressão de uso geral. A disposição radial da entrada de fluxo é característica de sopradores para uso em dutos principais.

Na primeira etapa do ciclo de trabalho do ventilador, o fluxo de ar é direcionado para a superfície do impulsor que gira rapidamente. As pás do rotor dividem o ar em pequenos volumes, que são deslocados para o interior da câmara de trabalho.

Aqui ocorre o acúmulo da massa de ar, ou seja, a compressão direta da massa de ar em um pequeno volume.

A própria estrutura do corpo do equipamento possui suas particularidades.

São conhecidas duas formas mais comuns de corpo:

• arredondadas;
• espiraladas.

A forma arredondada do corpo é característica de ventiladores que movimentam uma enorme quantidade de ar em um curto período de execução do processo. Já a forma espiralada é inerente a ventiladores que também realizam a compressão do volume de ar e geram pressão média e alta.

Na segunda etapa, ocorre o bombeamento de ar na câmara de trabalho. Como se sabe, a volume constante, com o aumento da massa total das moléculas de gás, aumenta o número de colisões entre as moléculas e, consequentemente, sua velocidade. Portanto, a pressão do gás também aumenta.

A forma e o número de pás têm grande importância. Todas as variantes de impulsores, sem exceção, são testadas em túneis de vento para determinar as condições ideais de operação.

Na etapa final, o gás comprimido é direcionado da câmara de trabalho para a abertura de saída. Em seguida, o ar passa para o duto central e se move na direção indicada.

O processo de depressurização ocorre exatamente ao contrário. O ar é retirado de uma tubulação de ar ou de um espaço fechado onde é necessário criar uma região de baixa pressão, e é descarregado no ambiente externo ou em outro espaço confinado.

Especificação do ventilador centrífugo

Os sistemas de compressores são caracterizados por uma série de diferenças estruturais e dinâmicas que devem ser consideradas ao selecioná-los e integrá-los ao sistema de ventilação.

A especificação inclui:

• a própria estrutura do soprador;
• tipo de motor;
• bloco de controle;
• a disposição do rotor e a transmissão do movimento rotativo do motor;
• o ângulo de disposição dos bocais de entrada e saída;
• o material do qual as peças do produto são feitas, suas dimensões e peso.

Os especialistas também atentam para a conformidade dos produtos com as normas internacionais: padrões ISO/IEC e GOST, marcações IP, diretivas ATEX, etc.

As características dinâmicas incluem os parâmetros técnicos de desempenho do soprador: pressão gerada e coeficiente de diferencial de pressão, velocidade e temperatura máxima do fluxo, frequência de rotação do eixo e nível de pressão sonora, eficiência e potência do motor.

A pressão gerada é o valor máximo que o ventilador pode produzir durante a operação no modo nominal.

P_v = P_sv + P_dv,

Onde: P_v – pressão total, P_sv – pressão estática, P_dv – pressão dinâmica.

Coeficiente de queda – diferença entre a pressão de entrada e a pressão gerada (bar).

Vazão volumétrica de ar – quantidade de mistura gasosa que se move por unidade de tempo (capacidade). Geralmente calculada em m³/h para fabricantes nacionais, litros/min para fabricantes estrangeiros.

Frequência de rotação – número de rotações completas do impulsor por unidade de tempo. Calcula-se em rotações/s ou Hz. É preciso lembrar que o nível de carga do ventilador não deve exceder 75% do máximo.

Operando por longo tempo em regime de sobrecarga com alta frequência de rotação, o ventilador superaquece e pode falhar rapidamente. Mas esse processo pode ser controlado, gerenciando-o a seu critério. Para isso, utiliza-se o regulador de velocidade de rotação do ventilador.

Pressão sonora – nível de ruído das peças rotativas e atrito do ar com o metal. Mede-se a 3 metros da fonte, quando opera em regime de carga máxima. O ruído deve ser considerado ao escolher um ventilador de funcionamento contínuo.

A maioria dos equipamentos é equipada com absorvedores de ruído e sons de fundo. Normas para ruído: não mais que 50 dB(A) para ambientes domésticos e não mais que 75 dB(A) para ambientes industriais.

Um dos dispositivos com nível mínimo de ruído é o ventilador sem pás.

O rendimento do ventilador é o produto dos três coeficientes abaixo:

• perdas no fluxo de ar;
• vazamentos através de folgas na construção;
• rendimento mecânico do produto.

Para ventiladores centrífugos, o rendimento total está entre 0.7 e 0.85; para axiais (de duto) – não mais que 0.95. Ao escolher um ventilador radial, é necessário considerar o fator de segurança do motor elétrico de 1.2. Ou seja, selecionar a potência do motor 20% maior que a necessária.

A potência do motor elétrico do ventilador é determinada pela fórmula:

N = (Q*P)/(102*3600*η),

Onde: Q – capacidade (vazão volumétrica de ar), P – pressão gerada.

Seleção do ventilador de acordo com os requisitos

O processo de seleção de equipamentos de ventilação para um objeto industrial (oficina, hangar) é um processo bastante interessante e complexo, que deve ser feito por um especialista. As características da ventilação de ambientes industriais são detalhadas aqui.

Para apartamentos comuns e casas particulares já existem soluções prontas. No caso geral (para um apartamento de 2–3 quartos), temos a seguinte arquitetura do sistema de ventilação:

• nos quartos residenciais são instalados ventiladores, cuja quantidade depende do tamanho dos ambientes e do número de moradores;
• na cozinha e no banheiro, os difusores de exaustão são integrados, além de serem instalados dutos de ar para a unidade de insuflação e extração.

O ventilador centrífugo inclui uma unidade de controle, um sistema de filtro para purificação do ar, um motor elétrico e o próprio ventilador radial.

Para o sistema de ventilação mencionado acima, os ventiladores de parede da série TsF fabricados pela Vents com capacidade de até 120 m³/h são adequados.

O mercado atual de equipamentos de ventilação é representado por uma ampla gama de empresas de fabricação estrangeira: Systemair, Soler&Palau, OSTBERG, Rosenberg, HELIOS, Maico, Ruck Ventilatoren GmbH, AeroStar, Blauberg, Elicent, Rhoss, Frapol, CMT CLIMA, HygroMatik GmbH, Winterwarm, Tecnair LV, AERIAL GmbH, MITA.

Os produtos dessas empresas serão uma excelente solução para tarefas de ventilação de qualquer escala.

As marcas nacionais Vents, Elcom, Domovent e Veza não ficam atrás em qualidade de produção e confiabilidade dos equipamentos. Se você tiver dúvidas sobre a precisão dos cálculos realizados ou sobre a escolha de um modelo específico, recomendamos entrar em contato com o serviço de suporte de qualquer uma das empresas.

Se você é proprietário de uma casa particular de 1 a 2 andares, edifício industrial ou comercial de área semelhante (restaurante, armazém, cantina, café, escritório), ao escolher o equipamento, é necessário considerar o volume dos ambientes, a taxa de renovação do ar, o comprimento e a seção transversal das tubulações principais.

Ventiladores multizona ou ventiladores de telhado da série KROM da empresa Veza, ventiladores da série VN da empresa Vents e outros lidam facilmente com as tarefas de ventilação e exaustão de fumaça.

Certifique-se de prestar atenção à funcionalidade adicional dos ventiladores centrífugos e à possibilidade de integração em diversos sistemas de ar condicionado.

Assim, os sopradores radiais podem ser equipados com componentes auxiliares:

• temporizadores ajustáveis e interruptores de intervalo, fotossensores e detectores de umidade;
• controladores de velocidade e indicadores de status;
• sensores de sobrecarga do motor elétrico e de falta de alimentação elétrica da rede;
• absorvedores de vibração de mola ou isoladores de vibração de borracha.

Se o ventilador estiver instalado dentro de um apartamento ou casa, ele pode ser coberto com um painel decorativo frontal removível de alumínio ou plástico, levando em consideração o interior do ambiente.

Para muitos usuários, o nível de ruído é um critério significativo na escolha de um ventilador. Você está escolhendo um ventilador silencioso para o banheiro? Recomendamos consultar a classificação de ventiladores silenciosos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo a seguir, os especialistas da empresa Elcom explicam de forma acessível sobre os ventiladores centrífugos:

Abaixo é mostrado um excelente exemplo de instalação de um ventilador doméstico no banheiro:

Mais uma opção de instalação de um ventilador doméstico de baixa potência em um apartamento:

O ventilador centrífugo clássico é o resultado de muitos anos de experiência na área de projeto e fabricação de equipamentos de ventilação. Não é apenas uma excelente solução para a indústria, mas também uma ferramenta ideal para transporte de ar em residências e escritórios.

Você está pensando em adquirir um ventilador centrífugo? Ou notou alguma inconsistência no material analisado? Faça suas perguntas e esclareça aspectos técnicos na seção de comentários.

Ou talvez você já tenha instalado um ventilador desse tipo no banheiro? Está satisfeito com o seu funcionamento? Escolheu a potência correta do aparelho para o seu ambiente? Envie fotos do seu ventilador e deixe seus comentários.