O que é um ventilador centrífugo e como funciona?

Uma ventoinha centrífuga aspira o ar axialmente (paralelamente ao eixo do motor), acelera-o radialmente para fora através de um impulsor rotativo e descarrega-o a 90 graus em relação à entrada. Tudo isto acontece no interior de uma carcaça em forma de espiral, denominada «scroll». Ao contrário de um ventilador axial, que empurra o ar em linha reta como uma hélice, um ventilador centrífugo gera pressão ao converter energia cinética em pressão estática no interior do «scroll» em expansão. Isto torna-o a escolha ideal sempre que é necessário empurrar o ar através de condutas, filtros ou outras resistências.

Os três componentes principais são simples. O impulsor (a única parte que realmente funciona em pleno funcionamento) é constituída por pás dispostas em torno de um eixo central. O caixa do rolo rodeia o impulsor e converte a velocidade em pressão através da sua secção transversal em expansão. O entrada e saída direcionar o fluxo de ar para o olho do impulsor e descarregá-lo para o sistema.

Se tiver de reter apenas uma coisa desta secção, que seja esta: a forma das pás do impulsor é a decisão de conceção mais importante num ventilador centrífugo. Determina a eficiência, a capacidade de pressão, o ruído, a durabilidade e se o ventilador consegue suportar o ar que tem de movimentar.

Os quatro principais tipos de ventiladores centrífugos num relance

Antes de nos debruçarmos sobre cada tipo, eis um resumo da situação numa tabela. Os quatro tipos partilham a mesma arquitetura básica (impulsor + espiral), mas a geometria das pás dá origem a quatro perfis de desempenho distintos.

A diferença de eficiência entre os melhores e os piores tipos chega a quase 30 pontos percentuais. Num motor que funciona 6 000 horas por ano, isso traduz-se numa diferença de milhares de dólares no custo anual de eletricidade. O tipo que escolher é uma decisão tanto financeira como técnica.

Ventiladores centrífugos de pás curvadas para a frente

Os ventiladores com pás curvadas para a frente são os elementos essenciais dos sistemas de climatização residenciais e comerciais de pequena escala. São os ventiladores do tipo «gaiola de esquilo» presentes em fornos, unidades de ventilação com serpentina e aparelhos de ar condicionado compactos. Dominam este segmento por uma razão: proporcionam o maior caudal de ar no menor espaço físico possível e fazem-no de forma silenciosa a baixa velocidade.

Conceção das pás e características operacionais

O impulsor de pás curvadas para a frente possui 24 a 64 pás curtas e rasas, que se curvam na mesma direção da rotação. Esta geometria permite que cada pá recolha e projete uma pequena parcela de ar a uma velocidade na ponta relativamente baixa (normalmente 800 a 1 200 RPM), produzindo um elevado volume de fluxo de ar contra uma baixa pressão estática. A desvantagem é a eficiência: com uma eficiência estática de pico de 60–65%, os ventiladores de pás curvadas para a frente convertem apenas dois terços da sua potência no eixo em movimento de ar útil.

Mas o valor da eficiência não é o aspeto mais importante a saber sobre as ventoinhas de pás curvadas para a frente. O mais importante é o curva de potência.

Os ventiladores de pás curvadas para a frente estão a «sobrecarregar-se». A sua potência de travagem aumenta continuamente desde o desligamento até ao fluxo livre. Se a resistência do sistema descer abaixo do valor para o qual foi concebido (um conduto solta-se, um filtro é removido, os reguladores de fluxo são deixados abertos), o ventilador acelera, move mais ar e consome mais energia. O motor (dimensionado para o ponto de funcionamento de projeto, e não para o máximo) pode sobrecarregar-se e queimar-se. Este não é um caso extremo teórico. É o modo de falha mais comum em condições reais para ventiladores de pás curvas para a frente.

Os impulsores com pás curvadas para a frente requerem sempre uma carcaça em espiral. As próprias pás convertem muito pouca energia cinética em pressão estática. Sem a carcaça em espiral expansiva, são simplesmente pás ineficientes.

Aplicações típicas e quando as evitar

Os ventiladores de pás curvadas para a frente destacam-se em aplicações de baixa pressão, com ar limpo e em espaços com restrições de espaço: caldeiras residenciais, aparelhos de ar condicionado terminais compactos, unidades fan coil, refrigeração de equipamentos eletrónicos e ventilação de alimentação/extracção de baixa pressão. Este último grupo abrange uma gama de tamanhos mais ampla do que a maioria dos guias reconhece: os ventiladores compactos de pás curvadas para a frente na classe de 60–250 mm são um elemento essencial no interior de caixas de equipamento e unidades de ventilação, onde a vantagem do caudal de ar por área ocupada é ainda mais importante do que num sistema de tratamento de ar.

Ventiladores centrífugos com pás curvadas para trás e de perfil aerodinâmico

Se os ventiladores com pás curvadas para a frente são os automóveis compactos e económicos da circulação de ar, os ventiladores com pás curvadas para trás são os camiões a diesel de longo curso: maiores, mais caros na aquisição, mas significativamente mais económicos na utilização e muito menos propensos a deixar-nos encalhados à beira da estrada.

Da inclinação para trás ao perfil aerodinâmico: um leque de eficiência

A família de asas com curvatura para trás abrange três subtipos, cada um representando um avanço em termos de aperfeiçoamento aerodinâmico:

As pás planas inclinadas para trás são as mais simples: placas planas inclinadas no sentido oposto ao da rotação, fáceis de fabricar e reparar, e razoavelmente eficientes. As pás curvas para trás acrescentam um perfil aerodinâmico, proporcionando um ganho de eficiência de 5 a 7 pontos. As pás aerodinâmicas (com secções transversais ocas em forma de asa) atingem as eficiências mais elevadas possíveis em qualquer ventilador centrífugo, com picos de eficiência total superiores a 90%, mas as suas paredes finas são sensíveis à erosão, à corrosão ou ao impacto.

Os três partilham a vantagem técnica que caracteriza a família Backward: uma curva de potência sem sobrecarga. A potência de travagem atinge o seu pico próximo do ponto de máxima eficiência e, em seguida, diminui à medida que o caudal aumenta. Isto significa que o motor nunca entrará em sobrecarga, independentemente do ponto da curva do ventilador em que o sistema estiver a funcionar. Trata-se de uma margem de segurança incorporada que elimina o risco de queima do motor, inerente aos modelos de pás curvas para a frente e radiais. Bill Cory, na sua obra de referência definitiva Ventiladores e ventilação (Elsevier, 2005) identifica a característica de não sobrecarga como o argumento mais forte para a escolha de ventiladores de pás curvadas para trás em aplicações com resistência do sistema variável ou incerta.

Principais aplicações industriais

As ventoinhas com pás curvadas para trás e de perfil aerodinâmico são predominantes em aplicações em que a eficiência, a fiabilidade e o baixo nível de ruído são requisitos imprescindíveis:

• Grandes sistemas de climatização (HVAC) e unidades de tratamento de ar (AHU) para uso comercial: A curva de não sobrecarga protege contra a resistência variável dos sistemas VAV, à medida que as caixas de terminais se abrem e fecham ao longo do dia.
• Arrefecimento de centros de dados: As ventoinhas com perfil aerodinâmico proporcionam os elevados volumes de ar e as pressões necessárias para a contenção dos corredores quentes e frios, com um desperdício mínimo de energia.
• Arrefecimento de equipamentos compactos: Com dimensões reduzidas para a gama de 120–280 mm e combinados com motores EC, os impulsores de pás curvadas para trás são a geometria predominante no arrefecimento de armários elétricos, na gestão térmica de inversores e em caixas de telecomunicações.
• Salas limpas e laboratórios: O fluxo de ar suave e estável do Airfoil, aliado à capacidade de suportar a queda de pressão dos filtros HEPA/ULPA.
• Ar de combustão com tiragem forçada: As ventoinhas com pás curvadas para trás proporcionam a estabilidade de pressão necessária para o fornecimento de ar ao queimador.
• Arrefecimento de processos industriais: Sistemas de condutas de grande diâmetro com requisitos de pressão estática moderados a elevados.

Uma tendência digna de nota: a Norma ASHRAE 90.1-2019 exige agora um Índice de Energia do Ventilador (FEI) ≥ 1,0 para a maioria dos ventiladores comerciais e industriais. Os ventiladores de pás curvas para a frente têm dificuldade em atingir um FEI ≥ 1,0 na maioria dos pontos de funcionamento. Esta alteração regulamentar está a acelerar a transição dos ventiladores de pás curvas para a frente para os de pás curvas para trás nos novos equipamentos.

Quando as hélices de curvatura para trás são a escolha errada

Apesar da sua vantagem em termos de eficiência, as ventoinhas de pás curvadas para trás têm limites evidentes:

• Correntes de ar com poeira ou pegajosas: Embora sejam menos propensas a ficar presas do que as lâminas curvadas para a frente, com o passar do tempo o pó acumula-se na face não ativa, criando um desequilíbrio.
• Ambientes corrosivos ou abrasivos: As pás aerodinâmicas, em particular, têm paredes finas que não suportam a erosão causada por partículas abrasivas em suspensão no ar.
• Limitações de espaço: Para um determinado caudal de ar e pressão, as ventoinhas de pás curvadas para trás têm um diâmetro maior e uma construção mais robusta do que as suas equivalentes de pás curvadas para a frente.

Ventiladores centrífugos de pás radiais

Os ventiladores de pás radiais são os que dão conta do recado. Escolhe-se estes não por opção, mas porque nenhum outro modelo resistiria às condições de utilização. As suas pás retas, semelhantes a remos, que se estendem perpendicularmente a partir do cubo, tornam-nos, do ponto de vista mecânico, o modelo de ventilador centrífugo mais simples e mais resistente ao desgaste.

Os impulsores radiais estão disponíveis em três configurações. Radial com revestimento As rodas têm uma placa traseira e um aro exterior que envolve ambos os lados da lâmina; estas são as mais resistentes e eficientes da família das rodas radiais. Placa traseira aberta Os discos têm apenas uma placa traseira, deixando as faces das lâminas expostas no lado de entrada para aplicações de remoção de material. Rodas de pás abertas não têm nem placa traseira nem aro (apenas lâminas num cubo) e são utilizadas para as tarefas mais exigentes de manuseamento de materiais.

A sua característica distintiva é a geometria autolimpante. As pás retas não apresentam superfícies côncavas onde os detritos se possam acumular. Em combinação com as amplas folgas de funcionamento entre o impulsor e a carcaça, os ventiladores radiais conseguem fazer passar sólidos em suspensão no ar que destruiriam qualquer impulsor de pás curvas em poucas horas. Além disso, toleram temperaturas mais elevadas e podem ser revestidos com material resistente, recobertos ou revestidos internamente para utilização em ambientes corrosivos e abrasivos.

O preço a pagar por esta robustez é uma baixa eficiência (60–70% estática) e um elevado nível de ruído. Os ventiladores radiais são ruidosos. Em espaços ocupados, é normalmente necessário recorrer a silenciadores ou caixas acústicas.

Os ventiladores radiais são a escolha padrão (muitas vezes a única) para:

• Sistemas de recolha de poeiras e filtros de mangas: A ventoinha do lado sujo em qualquer sistema industrial de extração de poeiras.
• Transporte pneumático: Transporte de aparas de madeira, pellets de plástico, cereais ou sucata metálica.
• Ventilação em minas: Pó abrasivo, elevada humidade e funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana.
• Gases de escape a alta temperatura: Gases de combustão, gases de escape do forno, recirculação do forno.
• Ambientes petroquímicos e perigosos: Construção resistente a faíscas.

Como escolher o tipo certo de ventilador centrífugo

Já sabe quais são os pontos fortes e os pontos fracos de cada tipo. O desafio consiste em aplicar esse conhecimento à sua aplicação específica. Este quadro de seleção em três etapas funciona como um funil: cada etapa elimina opções até ficar com a escolha certa.

Passo 1: Qualidade do ar — O único fator decisivo

A qualidade do ar é o único fator que pode prevalecer sobre todos os outros critérios de seleção.

• Ar puro (sistemas de climatização de escritórios, centros de dados, salas limpas): Todos os quatro tipos são tecnicamente viáveis. Passe à Etapa 2.
• Ar ligeiramente contaminado (menos de 50 mg/m³ de partículas, secas e não abrasivas): As hélices de curvas para a frente estão excluídas. As de curvas para trás podem funcionar com um plano de limpeza regular. As radiais são a escolha segura.
• Ar fortemente poluído (poeirento, abrasivo, corrosivo, pegajoso, de alta temperatura): Pára por aqui. Precisas de um ventilador radial.

Passo 2: Adequação aos requisitos de pressão e caudal de ar

Tendo em conta as restrições relativas à qualidade do ar, a próxima questão é: qual é a quantidade de ar que é necessário movimentar e qual é a resistência a que se enfrenta?

A correspondência de curvas do sistema é a forma de converter esses intervalos numa seleção precisa. É aqui que o leis dos adeptos tornaram-se ferramentas de engenharia essenciais. Descrevem como o desempenho do ventilador varia em função da velocidade (N = velocidade de rotação):

• Caudal de ar (Q) ∝ N: se a velocidade duplicar, o caudal de ar também duplica
• Pressão estática (P) ∝ N²: se a velocidade duplicar, a pressão quadruplica
• Potência (W) ∝ N³: se a velocidade for duplicada, a potência é oitavada

Passo 3: Ruído, espaço e restrições orçamentais

Nesta altura, já tem uma lista restrita de tipos de ventiladores tecnicamente viáveis. A decisão final depende, normalmente, de restrições práticas:

Ruído: Os ventiladores de perfil aerodinâmico são os mais silenciosos do tipo centrífugo por unidade de trabalho realizado. Os ventiladores radiais são sempre os mais ruidosos.

Espaço: As ventoinhas de pás curvadas para a frente destacam-se pela sua compacticidade. As ventoinhas de pás curvadas para trás são as que ocupam mais espaço físico para uma determinada função.

Orçamento: A armadilha aqui é comparar os preços de compra. Os ventiladores com pás curvadas para a frente têm o custo inicial mais baixo, mas o consumo de energia mais elevado. A questão do orçamento não é «qual é o ventilador mais barato de comprar?», mas sim «qual é o ventilador mais económico de manter?»

Eficiência energética, regulamentação e custo total de propriedade

A maioria dos guias comparativos de ventiladores centrífugos termina com o quadro de seleção. No entanto, há mais uma dimensão que deve ser tida em conta em qualquer decisão de aquisição com visão de futuro: as forças regulatórias e económicas que estão a redefinir quais os tipos de ventiladores que constituem investimentos viáveis a longo prazo.

A alteração regulamentar mais significativa que afeta a seleção de ventiladores centrífugos é a Norma ASHRAE 90.1-2019, que substituiu a antiga métrica «Fan Efficiency Grade» (FEG) pelo «Fan Energy Index» (FEI), calculado de acordo com a Norma AMCA 208. A secção 6.5.3.1.3 da Norma ASHRAE 90.1-2019 exige um FEI ≥ 1,00 para a maioria dos ventiladores de velocidade constante com potência superior a 1 hp. Existe uma via regulamentar paralela na Europa: o Regulamento (UE) n.º 327/2011 (a Diretiva ErP, Lote 11) estabelece requisitos mínimos de eficiência para ventiladores com potências entre 125 W e 500 kW.

A análise dos custos ao longo da vida útil reforça a regulamentação. Consideremos um ventilador centrífugo com um motor de 15 kW, que funciona 6 000 horas por ano, com uma tarifa de eletricidade industrial de $0,10/kWh:

Olhando para o futuro, os motores de íman permanente com comutação eletrónica (EC) estão a começar a redefinir o panorama da eficiência dos ventiladores centrífugos. Os motores EC atingem uma eficiência 5 a 15 pontos percentuais superior à dos motores de indução CA tradicionais, especialmente em carga parcial. Quando combinados com impulsores de pás curvadas para trás ou aerodinâmicas, é possível atingir eficiências «wire-to-air» a nível do sistema superiores a 80%. A ACDCECFAN fabrica ventiladores centrífugos de CA, CC e EC na gama de 25–280 mm para armários elétricos, inversores, caixas de telecomunicações e sistemas de armazenamento de energia, e a sua equipa de engenharia apoia a seleção personalizada quando uma curva padrão não corresponde ao seu ponto de funcionamento (consultar o catálogo de ventiladores centrífugos da ACDCECFAN).

Referências

• Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE). «Norma ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2019 — Norma energética para edifícios, com exceção de edifícios residenciais de poucas habitações.» ashrae.org
• Associação Internacional de Circulação e Controlo do Ar (AMCA). «Norma ANSI/AMCA 208-18 — Cálculo do Índice Energético dos Ventiladores.» amca.org
• Cory, W.T.W. (Bill). Ventiladores e Ventilação: Um Guia Prático. Elsevier Science, 2005.
• Revista de Segurança de Edifícios da ICC. «Disposições relativas à eficiência dos ventiladores nos códigos e normas-modelo de energia.» iccsafe.org
• Associação de Circulação e Controlo do Ar (AMCA). «Publicação 303 da AMCA — Aplicação das classificações do nível de potência sonora aos ventiladores.»
• Comissão Europeia. «Regulamento (UE) n.º 327/2011 da Comissão — Requisitos de conceção ecológica para ventiladores.»
• ACDCECFAN. «Produtos de ventiladores centrífugos.» acdcecfan.com