INTRODUÇÃO
Ventilar ambientes, processos e equipamentos industriais é um quesito necessário para se estabelecer boas condições de higiene, segurança e bom desempenho dos equipamentos. A função básica de um ventilador é, pois, fornecer a energia necessária para mover uma dada quantidade de ar por um sistema de ventilação a ele conectado. Parte desta energia é fornecida na forma de aumento da pressão estática, necessária para vencer as perdas do sistema, e parte na forma de pressão dinâmica, necessária para manter o ar em movimento. FUNDAMENTAÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TEÓRICA
No processo de ventilação a elevação da pressão da corrente fluida, pela passagem pelo ventilador, normalmente é pouco significativa. Dessa forma, despreza-se qualquer efeito de compressibilidade, isto é, o escoamento é tratado como incompressível. incompressível. Em regime permanente, a soma das vazões mássicas que entram e saem de um volume de controle são iguais. Em particular se houver uma entrada e uma saída, tem-se
mas
̇ 1 = ̇ = ̇ ̇ = = 1 11 =
(1)
(2)
onde Q é a vazão volumétrica do fluido
(3)
Assim, a equação (1) fica na forma
(4)
Se o escoamento for considerado incompressível e as tubulações de entrada e saída possuem o mesmo diâmetro, tem-se
1 = = = = 4
(5)
Para conhecer a vazão, é necessário medir a velocidade do escoamento, para isso, usa-se um tubo de Pitot, mostrado na figura.
Assim a pressão de velocidade pode ser medida através da diferença entre a pressão total e a pressão estática
= −
(6)
E a pressão de velocidade também é descrita, a partir da equação de Bernoulli, por
= 2
(7)
Assim a velocidade máxima do escoamento é dada por
=√ 2
(8)
Para se calcular a vazão é necessário conhecer a velocidade média do escoamento e não em um único ponto. Portanto, o escoamento é turbulento, assim pode-se considerar a velocidade média do escoamento como a velocidade máxima.
=
(9)
Para representação dos resultados em curvas características, deve-se corrigir os valores de rotação do ventilador para uma rotação média, esta correção pode ser feita pela Lei de Semelhança dos ventiladores, dada por Vazão: Pressão: Potência
= 0 (0) = 0 (0) 3 = 0 (0)
(10) (11) (12)
E por fim, o rendimento global do ventilador é dado por
= ̇.
(13)
NORMAS
O experimento seguiu algumas normas importantes e relacionadas ao assunto como, a AMCA Standard 210-74 para a montagem da bancada de testes e procedimentos para o ensaio, a ANSI/AMCA 210-85 (1985) para que se possa caracterizar as variáveis de desempenho dos ventiladores como pressão total, estática, dinâmica, potência absorvida e vazão e a ASME PTC9 para vazão volumétrica na entrada do compressor. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
Para a presente atividade, foram utilizados os livros Introdução à Mecânica dos Fluidos do FOX, McDonald e Printchard para consulta das equações, utilizandoas nos cálculos necessários e fazer uso de conceitos didáticos essenciais para complementar a explicação dada em sala de aula afim de elaborar e fundamentar esta atividade. Também foram utilizados normas e catálogos para caracterização de elementos do ensaio. DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL
Para o melhor entendimento do experimento são apresentadas as especificações dos equipamentos envolvidos, sendo utilizado um motor de indução monofásico MEBSA MJ445BAT1, uma fonte regulada FR 3015, um controlador de ventilador comum e um damper estilo persiana. Já na parte de medição temos um tacômetro de contato ICEL 5030, um tubo de pitot, um multímetro Minipa ET – 3200A, um wattímetro Politerm POL – 64 e um manômetro diferencial INSTRUTEMP MP120.
INSTRUMENTAÇÃO
Visando sempre trazer melhorias para o experimento, é importante fazer uma correlação da instrumentação utilizada com as propostas ideais para a melhor aquisição dos dados. Muitos dos dados são adquiridos por meio da inspeção visual, portanto são passíveis de erros como: paralaxe, incerteza de medição, mal posicionamento do instrumento, entre outros. Uma solução ideal para tais problemas pode ser a mudança da aquisição manual, para uma aquisição automática de dados, utilizando-se de softwares como o Labview e equipamentos que permitam a correta comunicação dos sistemas. Outra forma de solucionar esses erros, seria efetuando a troca dos equipamentos por outros métodos mais sofisticados. Podemos citar como exemplo, o Tubo de Pitot e o Tubo de Impacto utilizados poderiam ser fixados na posição correta para evitar erros de mal posicionamento, ou ainda serem substituídos por modelos de alta precisão. O manômetro diferencial, da mesma forma, poderia ser substituído por um digital, para evitar erros de leitura. Para as medições relativas ao motor foram utilizados 3 equipamentos. O tacômetro digital de contato, onde temos muitos erros devido ao seu correto posicionamento, sugerimos uma instalação fixa ou ainda substituí-lo por um tacômetro óptico. Tanto o multímetro quanto o wattímetro utilizados (ambos digitais) são considerados eficientes para a situação. É importante ressaltar que a precisão é um fator de extrema importância, porém devido ao fato do sistema ser utilizado para fins didáticos, fez-se a opção por modelos onde haveria um bom custo-benefício. INSTALAÇÃO E EQUIPAENTOS CORRELATOS
O Experimento foi realizado no laboratório de Refrigeração e Ar condicionado do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) conforme a descrição dos equipamentos esboçados anteriormente, no entanto tal experimento pode ser elaborado de maneira que resultados mais completos possam ser obtidos e novas interpretações possam ser feitas conforme a qualidade e variedade dos recursos existentes. Uma planta didática de tal ensaio pode ser composta por duas bancadas: uma com um microcomputador, onde é instalado todo o sistema supervisório (Indusoft Web Studio), e uma composta por motores (trifásicos de 1,5 CV, por exemplo), sistemas de comando (painel elétrico), ventilação (ventiladores centrífugos e axiais), refrigeração (compressores, válvulas solenóides, evaporadores, umidificadores e aquecedores) , controle (dampers) e aquisição de dados (instrumentação por sensoriamento de pressão, temperatura e vazão de ar, por exemplo) . Tais recursos, possibilitam realizar estudos de eficiência energética, comparação entre grandezas elétricas e mecânicas e levantamento de curvas de diversos parâmetros com uma maior riqueza de informação, precisão e detalhes.
METODOLOGIA
- Colocar o ventilador em funcionamento; - Para cada vazão Alta ou Baixa, fazer a regulagem no damper e fazer as medições; - Utilizando o manômetro diferencial realizar-se-á as medições da PTV, PEV e PVV; - Medir o diâmetro do duto e calcular a vazão com PVV, a rotação no tacômetro, a potência no wattímetro e a tensão e corrente no multímetro; - Corrigir os valores medidos pela calibração dos instrumentos; - Corrigir os valores de PTV, PEV, vazão e potência elétrica para rotação média (na vazão Alta e Baixa) por meio das Leis de Semelhança de Ventiladores; - Aplicar as incertezas nas medições; - Calcular os índices de desempenho e mostrar em gráficos apropriados. ANÁLISE DE DADOS
Os valores das medições são mostrados:
PTV (Pa) PEV (Pa) Potência (W) Corrente (A) Tensão (V) Rotação (rpm) Pvel (Pa) Tbs (°C) Tbu (°C) D (mm)
Baixa rotação Aberto 55 10
Alta rotação Aberto 80 15
Baixa rotação Semiaberto 120 90
Alta rotação Semiaberto 120 100
Baixa rotaçãoFechado 170 170
295
291
273
296
197
173
1,12
1,32
0,94
1,15
0,70
0,88
213
214
215
213
213
213
1505
1600
1590
1660
1700
1730
40 24,5 20 192
50 25 20 192
15 25 20 192
20 25 20 192
0 25 20 192
0 25 20 192
Alta rotação -Fechado 180 180
As incertezas e calibrações dos instrumentos são mostrados:
Incerteza Calibração
Medidor de Pressão Diferencial (Pa) 0,5 -
Multímetro - corrente (A)
Multímetro - tensão (V)
Wattímetro (W)
Tacômetro (rpm)
Régua (mm)
0,005 -
0,5 -
0,5 -
0,5 -
0,5 -
CÁLCULO DOS RESULTADOS
Para medir a vazão de ar, foi utilizado um tubo de Pitot na saída do ventilador, que com a medida da diferença de pressão é possível encontrar a velocidade do fluido naquele ponto, que é dada por:
=√ 2 Foi utilizado a carta psicrométrica para encontrar a massa específica em cada medição, ainda foi adotado a incerteza de 0,01 kg/m 3 na massa específica, devido às incertezas nas medições das temperaturas. Como o escoamento é turbulento, foi considerado que a velocidade média do escoamento é igual a velocidade calculada no tubo de Pitot. E conhecida a velocidade média do escoamento e a área, é calculada a vazão com sua incerteza:
Vazão (m3/h) Incerteza (m 3/h)
Baixa rotação Aberto
Alta rotação Aberto
865,0 8,0
967,8 8,1
Baixa rotação Semi aberto 530,1 9,5
Alta rotação Semi aberto 612,1 8,7
Baixa rotação Fechado
Alta rotação Fechado
0,0 0,0
0,0 0,0
Para representação nos gráficos foi necessário fazer o ajuste dos valores para uma rotação média. Na operação em baixa rotação a média foi de 1598,3 rpm e na operação em alta rotação a média foi de 1663,3 rpm. Os valores de vazão, potência consumida, PTV e PEV corrigidos com suas incertezas são mostrados:
Baixa rotação (1598,3 rpm)
Aberto
Semiaberto
Fechado
Vazão (m3/h) Vazão - Incerteza (m 3/h) Pot (w) Pot - Incerteza (w) PTV (Pa) PTV - Incerteza (Pa) PEV (Pa) PEV - Incerteza (Pa)
918,6 8,5 353,34 0,69 62,03 0,57 11,28 0,56
532,8 9,6 277,30 0,57 121,26 0,51 90,94 0,51
0,0 0,0 163,72 0,44 150,27 0,45 150,27 0,45
Alta rotação (1663,3 rpm)
Aberto
Semiaberto
Fechado
Vazão (m3/h) Vazão - Incerteza (m3/h) Pot (w) Pot - Incerteza (w) PTV (Pa) PTV - Incerteza (Pa) PEV (Pa) PEV - Incerteza (Pa)
1006,1 8,5 326,92 0,64 86,46 0,54 16,21 0,54
613,3 8,7 297,77 0,57 120,48 0,51 100,40 0,51
0,0 0,0 153,75 0,46 166,39 0,47 166,39 0,47
E por fim, é calculado o rendimento global e sua incerteza: Baixa rotação (1598,3 rpm) Vazão (m3/h) Vazão - Incerteza (m3/h) Rendimento global Rendimento global Incerteza
Alta rotação (1663,3 rpm) Vazão (m3/h) Vazão - Incerteza (m3/h) Rendimento global Rendimento global Incerteza
Aberto
Semiaberto
Fechado
918,6 8,5 4,48%
532,8 9,6 6,47%
0,0 0,0 0,00%
0,04%
0,03%
0,00%
Aberto
Semiaberto
Fechado
1006,1 8,5 7,39%
613,3 8,7 6,89%
0,0 0,0 0,00%
0,05%
0,03%
0,00%
APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS Os gráficos para baixa rotação são mostrados: Vazão x Potência consumida 400,00 ) W ( 350,00 a d i m300,00 u s n o c 250,00 a i c n ê t 200,00 o P 150,00 0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
Vazão (m3/h)
Vazão x PTV 150,00 130,00 ) a P 110,00 ( V T P 90,00 70,00 50,00 0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
Vazão (m3/h)
Vazão x PEV 160,00 140,00 120,00 ) a 100,00 P ( V 80,00 E P 60,00 40,00 20,00 0,00 0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
Vazão (m3/h)
Vazão x Rendimento global 10,00% ) 9,00% % ( l 8,00% a b 7,00% o 6,00% l g o t 5,00% n 4,00% e m 3,00% i d n 2,00% e R 1,00% 0,00% 0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0 1000,0
Vazão (m3/h)
Curvas Características 400,00
7,00%
350,00
6,00%
300,00 5,00%
) W 250,00 ( a d i ) m a u P s ( n 200,00 V o c T P a i c n ê 150,00 t o P
) % ( l a 4,00% b o l g o t n e 3,00% m i f n e R 2,00%
100,00
1,00%
50,00
0,00 0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
0,00% 1000,0
Vazão (m3/h) Polinômio (Potência)
Polinômio (PTV)
Polinômio (Rendimento global)
Os gráficos para alta rotação são mostrados: Vazão x Potência consumida 350,00 ) 330,00 W ( 310,00 a d i 290,00 m270,00 u s n 250,00 o c 230,00 a i c 210,00 n ê t 190,00 o P 170,00 150,00 0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
800,0
1000,0
800,0
1000,0
3
Vazão (m /h)
Vazão x PTV 170,00 160,00 150,00
) 140,00 a P 130,00 ( V120,00 T P 110,00 100,00 90,00 80,00 0,0
200,0
400,0
600,0
Vazão (m3/h)
Vazão x PEV 160,00 140,00 120,00 ) a 100,00 P ( V 80,00 E P 60,00 40,00 20,00 0,00 0,0
200,0
400,0
600,0
Vazão (m3/h)
Vazão x PEV 160,00 140,00 120,00 ) a 100,00 P ( V 80,00 E P 60,00 40,00 20,00 0,00 0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
Vazão (m3/h)
Curvas Características 350,00
8,00%
7,00% 300,00 6,00% 250,00
) W ( a d i 200,00 ) m a u P s ( n V o c T P a i 150,00 c n ê t o P
5,00%
) % ( l a 4,00% b o l g o t n 3,00% e m i f n e R 2,00%
100,00 1,00% 50,00 0,00%
0,00
-1,00% 0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
Vazão (m3/h) Polinômio (Potência)
Polinômio (PTV)
Polinômio (Rendimento global)
