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 estabelecer a potência mecânica necessária necessária ao acionamento acionamento do motor do ventilador. A equação básica para o dimensionamento é: A =
V 3600 v
onde: A => área da seção em m 2 V => vazão de ar em m 3/h v => 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 norm normaa NBR NBR 6410 6410,, tabe tabela la 13 dá uma uma séri sériee de valo valore ress reco recome mend ndad ados os para para veloc velocida idade dess máxima máximas. s. As tabela tabelass 7-6 e 7-7 (Costa (Costa,, 197 1977), 7), deter determin minam am respe respecti ctivam vament entee velocidades para as bocas de insuflamento e de saída. BOCAS DE INSUFLAMENTO 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 JATO OU IMPU IMPULS LSÃO ÃO => é a dist distân ânci ciaa perc percor orrid ridaa pelo pelo flux fluxoo de ar desd desdee o seu 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 divergência da mesmo: Jato Jato = K
V Ae
onde: V => vazão em m 3/s Ae => área efetiva em m 2 K => coeficiente que depende do tipo de boca, da divergência e da velocidade terminal (Tab. 7-9) Como: a=
Ae A
onde: A => área total ou da face Pode-se fazer: 2 1 K V A = a jato jato v=
V a A
PERDA DE CARGA CARGA A perda de carga nas bocas de insuflamento é dada por: ∆ pboca = λ1
onde:
v2 2 g
γ
λ 1 => coeficiente de resistência (tabela 7-10)
v => velocidade real na boca a => coeficiente que relaciona a área efetiva e a 3
γ = 1,2 kgf/m - peso específico do ar
área da face (tabela 7-9)
SELEÇÃO E DIMENSIONA DIMENSIONAMENTO MENTO DAS BOCAS BOCAS DE INSUFLAMENTO INSUFLAMENTO Através das bocas de insuflamento deve ser assegurada 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 retangulares Difusores de teto => áreas quadradas
2º) Escolher o tipo de boca atendendo a localização da mesma e a forma da área a atender. 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. Observação:
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 residência com 5 m X 5 m 3 V = 1500 m /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 m Tab. 7-9 ====> a = 0,32 ; K = 2,36 2,36 Tab. 7-10 ====> λ1 = 1 2 2,36 36 ⋅ 0,42 = 0,49 m 2 ===> (Φ= 79 cm ou 70 cm X 70 cm) A = = a jato jato 0,32 2,5 2
1 K V
v=
V a A
=
1
0,42 0,32 ⋅ 0,49
= 2,67 m/s < vmax (2,5 a 3,8 - Tab.7-6)
∆ pboca = λ 1
v2 2 g
γ = 1
2 ,67
2
2 9 ,81
1,2
= 0,44 mmH 2O
Alternativamente o dimensionamento dos difusores pode ser feito por meio de diagramas, geralmente recomendados recomendados pelos próprios fabricantes das grades e difusores.
Observação:
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 mmH 2O - 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 mmH 2O - instalações para conforto. MATERIAIS 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 REQUISITOS QUE DEVEM SER OBEDECIDOS OBEDECIDOS EM UM PROJETO 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, evitandose 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 DIMENSION DIMENSIONAMENTO AMENTO • Arbitra Arbitragem gem da veloci velocidad dadee => ado adota-se ta-se velocida velocidades des recomend recomendadas adas,, não prevendo 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 desequilíbrio de pressão dinâmica. 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 nas bocas de insuflamento. insuflamento.
• Recuperação Recuperação estática => cons consis iste te em recu recupe pera rarr a pres pressã sãoo está estáti tica ca da veia veia flui fluida da,,
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 cada trecho, de tal forma que, em cada boca de insuflamento, a pressão de saída seja a mesma.
ENERGIA NOS NOS DUTOS O dimensionamento dos dutos é baseado na equação da continuidade e no princípio da conservação conservação da energia para fluidos flu idos em escoamento. escoamento. 1) Equação da continuidade
V = A. v
para ρ = cte
2) Equação de Bernoulli
ha +
Pa
γ
+
va 2 2 g
=
hb +
Pb
γ
+
vb 2 2 g
+
J
energia cinética energia de pressão (pressão estática) energia de posição 3) Perda de carga
Pa va Pb vb J = ha + + − hb + γ + 2 g 2 g γ 2
2
se ha = hb
Pa − Pb va + vb − − J = γ 2 g 2
2
DIMENSIONAMENT DIMENSIONAMENTO O DE CANALIZAÇÕES CANALIZAÇÕES SEGUNDO O MÉTODO MÉTODO DA RECUPERAÇÃO RECUPERAÇÃO DA PRESSÃO ESTÁTICA ESTÁTICA a) Perda de carga por atrito em tubulações: J
= λ
Se:
v2
l
D 2 g
V = v 2
γ
π ⋅ D 2 4
=>
v2 =
λ
J = 0,0827 l 1
−2
4 V
π D
V 2 D
5
2
, logo J = λ
l 1−2 16 V 2 2
D π D
4
γ , 2 g
ou
γ
Para dutos de seção circular, feitos em aço galvanizado, a ASHRAE 1(Associação Americana de Engenheiros de calor refrigeração e ar condicionado), recomenda o uso da equação prática de Fritsche-Biel : J
=
0,00188 l 1
V −
2
D
1, 9
5 , 02
=
0,001199 l 1
−
v2 2
D
1, 9
1, 22
=
0,001026 l 1
−
2
v2
2 , 51
V
0 , 61
Exemplo: Calcular a perda de carga em um duto circular de chapa de aço galvanizado de 10m de comprimento, com vazão de ar de 1m 3/s e v=5 m/s
American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers, Inc.
1
b) Recuperação de pressão (estática)
Aplicando-se a equação de Bernoulli entre as seções A e B: P 1
γ
+
v1
2
2 g
=
P 2
+
γ
∆ P = P 2 − P 1 =
v2
2
2 g
γ
2 g
(v
2
−v2
1
2
)
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 não seja integral, considera-se considera-se um rendimento de 75%, e: P = P 2 − P 1 = 0,75 ∆
γ
2 g
(v
1
2
−v2
2
)
como: γ = 1,2 kgf/m 3 e g=9,81 m/s 2, em unidades do SI.
(
2
∆ P = P 2 − P 1 = 0,0459 v1 − v2
2
)
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. c) Considerando o ganho na pressão estática (recuperação de pressão) igual a perda de carga no trecho seguinte, obtemos:
( − v ) = 0,001026 2
0,0459 v1
2
2
l 1−2 0 , 61
V
v2
2 , 51
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 m 3/s e na boca 0,2 m 3/s. A velocidade no trecho anterior à boca é de 5m/s. Exemplo:
DIÂMETRO DIÂMETRO EQUIVALENTE EQUIVALENTE
Selecionada a velocidade v2 no trecho, podemos calcular a seção a adotar para o mesmo mesmo.. A seçã seçãoo calcu calculad ladaa dev devee ser ser circu circular, lar, dev devido ido as equa equaçõe çõess ado adotad tadas. as. Podem Podemos, os, entretanto, determinar uma seção retangular que, para a mesma vazão, provoque a mesma perda de carga que o duto circular considerado. 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
( − v ) = 0,001026 2
0,0459 v1
2
2
l 1−2 0 , 61
V
v2
2 , 51
obtém-se o valor de v 2. 2) Calcula o diâmetro equivalente que causa a mesma perda de carga Deq
4 V
=
v2
π
3) Usando a equação de Huebscher (mesma perda de carga para mesma vazão) Deq = 1,3
( L H )
0 ,625
( L + H ) 0,25
ou usar tabelas de diâmetros equivalente, obtem-se o valor dos lados L x H 4) Recalcula a v2 v2
′
=
V L ⋅ H
3 Sabendo-se que l 1-2 1-2 = 5m, V = 1 m /s, v1 = 5 m/s, calcular v2 para um duto retangular de L/H = 2.
Exemplo:
COMPRIMENTO EQUIVALENTE O comp comprim rimen ento to equi equiva vale lent ntee de um aces acessó sóri rioo de um duto duto de diâm diâmet etro ro D é o comprimento que o um duto de mesmo diâmetro que, substituido pelo acessório, provoca a mesma perda de carga. J acessório
le
=
λ 1 λ
=λ1
v2 2 g
γ
=
J duto = λ
l e v 2 D 2 g
γ
D
A tabela 7-15 (Costa, 1977) traz valores de λ 1 e l e para os principais acessórios de canalizações de ventilação.
l1
lcurva
lequivalente
l2
BOCAS DE DESCARGA 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. ocupação.
Dimensionamento: V A = (área livre) v f
=> onde v f (velocidade aparente/face) aparente/face) => tabela 7-7 v =
Perda de carga: J = λ
v2 1
2 g
γ
=> onde λ 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. máquinas. Dimensionamento A =
V
v f
v f
=> tabela 13 da NBR 6401
Perda de carga: J = λ
FILTROS
v2 1
2 g
γ
=> onde λ 1 e a são obtidos da tabela 7-16.
v f a
Tipos:
• • • •
tela galvanizada; galvanizada; lã de vidro; filtros de pano; filtros de plástico esponjoso.
Localização:
• junto a casa de máquinas. máquinas. Dimensionamento: V A = v f v f
=> tabela 7-4
Perda de carga: v2
J = λ
1
2 g
=> onde λ 1 é da tabela 7-17.
γ
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 ( v p), principal responsável responsável pelo ruído em uma instalação: instalação: v p
=
π φ N RP M 60
[ m / s]
Ruído Classe I Classe II Classe III
Utilização Residências Edifícios públicos Edifícios industriais
v p <20 m/s 20 a 30 m/s >30 m/s
Os ventiladores centrífugos podem ser: • simples aspiração • dupla aspiração Localização:
• casa de máquinas => ventilação geral diluidora Dimensionamento
O dime dimens nsio iona name ment ntoo exte exterio riorr do vent ventil ilad ador or pode pode ser ser feit feitoo a parti partirr das das velo veloci cida dade dess recomendadas pela tabela 7-4, adotando-se a expressão: V
nπ =
φ 2
v
1,1 4 ⋅
onde n vale 1 para ventiladores de simples aspiração e 2 para de dupla aspeiração, de modo que: 1,1 ⋅ 4 V φ = n v π
as demais dimensões externas podem ser obtidas em função do diâmetro ( φ), com auxílio da figura 7-32 e da tabela a seguir: Grandeza n L Hmax h Potência: P =
Simples aspiração 1 0,8 φ 2,2 φ
Dupla aspiração 2 1,44 φ 2,2 φ
φ
φ
∆ Pt V 75 η
onde: V => vazão de ar a movimentar (m 3/s); ∆ P t t => diferença de pressão total no ventilador em kgf/m 2 (= mmH2O) η => rendimento do sistema moto-ventilador que varia de 0,3 a 0,7 de acordo com a máquina (dado pelo fabricante) (
∆ Pt = ΣJ −
Rp ) +
v2 2 g
γ
Σ J => numa instalação normal de ventilação, deve ser incluídas para o cálculo, as seguintes
parcelas: • tomada de ar externo; • canalização canalização da tomada de ar exterior; • filtro; • duto principal; • bocas de insuflamento; insuflamento; • bocas de descarga; descarga; • canalização de descarga.
