O estudo da dinâmica dos fluxos e a modelagem precisa de zonas de vórtices (VZs) desempenham um papel crucial na otimização do design de capôs de exaustão, especialmente no que tange à redução do coeficiente de perda de carga (LDC). A modelagem dessas zonas usando métodos como CFD (Computational Fluid Dynamics) e DVM (Dynamic Vortex Modeling) proporciona uma visão detalhada das características do fluxo de ar e suas interações com as superfícies do capô.

No processo de refinamento das malhas computacionais, iterações de aprimoramento ao longo das fronteiras sólidas são necessárias para garantir que as camadas limites sejam resolvidas de maneira adequada. A métrica y+ foi utilizada para monitorar o refinamento da malha, fornecendo uma quantidade adimensional que reflete o comportamento das camadas limites. Quando a malha foi refinada para diferentes formatos de capôs, com ângulo de inclinação da flange de 90° e comprimento d = 1R, os resultados mostraram variações no valor do LDC à medida que o nível de refinamento aumentava. A importância do controle sobre a malha e a convergência da solução numérica ficou evidente, já que os valores de LDC se estabilizaram em malhas mais finas, indicando que a solução numérica não depende mais do tamanho das células.

A modelagem de capôs com base em contornos obtidos a partir de DVM e CFD revelou diferenças notáveis. Ao modelar o capô usando o contorno do primeiro VZ, uma redução do LDC foi observada, com uma diminuição de até 18% no caso de modelagem por DVM. Por outro lado, a modelagem ao longo do segundo VZ proporcionou uma redução ainda mais significativa no LDC, de até 48%, devido a maiores velocidades do fluxo de ar na região.

A aplicação simultânea de ambos os VZs, utilizando contornos gerados por CFD, levou a uma redução de 53% no LDC. No entanto, o modelamento ao longo das zonas secundárias do VZ, como mostrado na Figura 4.26a, trouxe uma diminuição ainda mais expressiva do LDC, de 62%. Se a restrição do fluxo no tubo for aliviada, o LDC pode ser reduzido em até 96%, como mostrado ao se modelar o capô ao longo do segundo VZ, determinado por DVM.

Um aspecto interessante surgiu ao modelar um capô "fraturado", onde a zona do VZ é conectada ao início do capô, resultando em uma diminuição de 93% no LDC. Apesar de o LDC ser ligeiramente superior nesse design, o benefício está em uma maior velocidade de captura de contaminantes, o que pode ser vantajoso em algumas aplicações práticas.

Ao comparar os métodos CFD e DVM, observou-se que as zonas de vórtices determinadas por DVM tendem a ser mais suavemente fechadas na parede do que aquelas determinadas por CFD, o que elimina a formação de um VZ secundário. A modelagem usando DVM, portanto, pode ser mais vantajosa, pois não gera efeitos indesejados como vórtices secundários, que podem prejudicar o desempenho do capô. Embora a redução no LDC seja pequena para ambas as abordagens, a modelagem por DVM oferece uma melhoria mais consistente na eficiência do fluxo.

Em termos práticos, a escolha entre os métodos CFD e DVM depende do tipo de design do capô e das necessidades específicas do sistema. Quando o objetivo principal é evitar a formação de vórtices e otimizar o fluxo de ar de maneira mais eficiente, a modelagem com DVM parece ser mais adequada, embora o impacto na redução do LDC não seja enorme em todos os casos.

Além disso, é importante entender que, ao trabalhar com modelagens complexas de fluxo, como as associadas a capôs de exaustão, fatores como a geometria do capô, o comportamento do fluido e a interação com superfícies sólidas são essenciais para a obtenção de soluções eficazes. Ajustes no design do capô, como a introdução de "fraturas" ou a alteração na forma da zona de vórtices, podem ter efeitos profundos no desempenho do sistema, dependendo dos requisitos do processo ou do equipamento.

Como o Design do Capô de Exaustão Afeta as Dimensões da Zona de Separação de Fluxo

Em diversos casos, para ângulos de inclinação do capô α = 30° e α = 60°, o valor de δ aumenta de forma monotônica. Contudo, ao se considerar ângulos mais elevados, como α = 90°, observa-se uma mudança abrupta no comportamento das dimensões da zona de separação do fluxo (VZ). Especificamente, as dimensões a, b e l da primeira zona de separação deixam de apresentar um comportamento monotônico, aumentando inicialmente antes de atingir um pico e, em seguida, decrescerem. Esse comportamento é decorrente do efeito reduzido do capô de exaustão na primeira zona de separação do fluxo em capôs mais longos. Já a espessura da segunda VZ, representada por δ, continua a diminuir de forma monotônica à medida que o capô se alonga.

As distâncias de estabilização (denotadas por s) são associadas a características de tamanho correspondentes, como s/a, s/b, s/l, e outras. Em alguns casos, não é possível determinar essas dimensões devido à fusão das zonas de separação. Quando o ângulo α atinge 90°, a dimensão R se torna constante em 1 para todas as configurações analisadas, o que torna irrelevante a discussão sobre a distância de estabilização. Por outro lado, para as distâncias de estabilização s/R, s/a, s/b, pode-se observar uma relação praticamente linear: o respectivo parâmetro aumenta quando a flange do capô se alonga e o ângulo de inclinação α é reduzido. Isso indica que o design do capô tem um impacto significativo na estabilização das dimensões das zonas de separação, especialmente quando o capô é movido mais distante do plano impermeável.

Porém, essa relação não é tão direta para a dimensão sδ/R, já que flanges mais curtas resultam em valores menores de sδ/R, mas o valor se estabiliza em 2.5 quando a flange atinge comprimentos mais curtos. A relação entre o ângulo de inclinação e a dimensão sδ/R só é evidente em flanges mais curtas, o que implica que os efeitos do design do capô sobre a estabilidade do fluxo são mais pronunciados em configurações específicas, dependendo do comprimento e do ângulo da flange.

Os estudos realizados utilizando modelagem computacional em dinâmica de fluidos (CFD) abordam esses comportamentos de forma mais detalhada. A resolução computacional foi adaptada ao longo de várias etapas de refinamento de grade, com o objetivo de simular as condições reais do fluxo e os efeitos das diferentes distâncias do capô em relação ao plano impermeável. A análise foi realizada em uma geometria de domínio computacional com dimensões variáveis para os parâmetros d/R = 0.5, 1.5, 2.5, 5, e distâncias ao plano impermeável s/R = 0.5, 1, 2, 5, onde R = 50 mm é o raio do canal. Durante o processo de modelagem, as linhas de fluxo indicaram a formação de duas zonas de separação de fluxo: a primeira (1VZ) formada no ponto de separação do fluxo na borda afiada do capô e a segunda (2VZ) no ponto de conexão do capô ao canal de exaustão. A análise das pressões e velocidades ao longo do domínio computacional permitiu a determinação da perda de carga (LDC) e a visualização das variações nas zonas de separação.

A modelagem CFD foi validada em estudos anteriores e mostrou ser eficaz em prever o comportamento do fluxo em capôs de exaustão com ângulos de inclinação de 0°, o que permitiu o uso do modelo de tensões de Reynolds (RSM) em conjunto com a metodologia de turbulência EWT. Para garantir a precisão dos resultados, o modelo computacional passou por refinamentos sucessivos de grade, com a introdução de refinamentos na camada limite e nas paredes do capô e do canal de exaustão.

Em termos das dependências da LDC, os resultados indicam que, à medida que o comprimento da flange (d/R) aumenta, a LDC aumenta até atingir d/R ≈ 1.5. A partir desse ponto, para flanges mais longas, a LDC se estabiliza, o que sugere que, para flanges grandes, a formação da primeira zona de separação não é mais afetada pela geometria do capô, sendo a segunda zona que se desenvolve de forma independente.

Essas observações indicam que a escolha das dimensões do capô, incluindo o comprimento e a inclinação da flange, influencia diretamente as características do fluxo, o comportamento das zonas de separação e, consequentemente, a eficiência do capô de exaustão no controle do fluxo de ar. Essas conclusões são fundamentais para a otimização do design de capôs de exaustão em sistemas de ventilação.

A compreensão detalhada desses fenômenos permite que engenheiros e projetistas de sistemas de ventilação façam escolhas mais informadas sobre os parâmetros geométricos do capô, a fim de garantir o desempenho desejado em termos de estabilidade do fluxo e eficiência na remoção de contaminantes. Além disso, a escolha de uma abordagem numérica como o CFD, associada a uma análise criteriosa da grade computacional, é essencial para alcançar resultados precisos e válidos em projetos complexos.

Como a Modelagem Aerodinâmica de Conexões de Dutos Pode Melhorar a Eficiência Energética em Sistemas de Ventilação

O design eficiente de sistemas de ventilação, especialmente em edifícios públicos, exige uma análise cuidadosa das perdas de pressão e a consideração das características aerodinâmicas das conexões de dutos. Essas conexões, muitas vezes vistas como elementos simples dentro do sistema de ventilação, têm um impacto significativo na eficiência do fluxo de ar e, consequentemente, no consumo de energia. A abordagem mais recente no campo propõe o uso de peças moldadas para reduzir a resistência ao fluxo de ar, levando a uma diminuição nas perdas de pressão e melhor desempenho geral do sistema.

Ao projetar uma conexão de duto, o primeiro passo é determinar as dimensões geométricas dos acessórios com base em gráficos específicos ou, no caso da abertura de exaustão, utilizando um fator de escala. Com esses dados em mãos, pode-se calcular a zona de vórtice, essencial para modelar a peça de forma a otimizar o fluxo. A partir das relações obtidas para os coeficientes de arrasto locais (LDCs), é possível determinar o LDC da conexão moldada, o que serve como entrada para o design aerodinâmico do sistema.

No estágio de modelagem, os dados resultantes são exportados em formato CAD (DWG, DXF) e importados em máquinas de plasma para a fabricação dos componentes. A patente de uma invenção relacionada a essas conexões de dutos moldados com inserções que reduzem o arrasto foi concedida (Ziganshin et al., 2014). Um exemplo clássico de aplicação desse conceito é a expansão repentina de dutos. Ao adicionar inserções moldadas, como superfícies convexas, nas bordas agudas do duto, é possível suavizar o fluxo de ar e reduzir a formação de vórtices, que são áreas de grande resistência ao fluxo.

Essas inserções podem ser feitas de diversos materiais, como metais para atender a requisitos de combate a incêndios ou plásticos quando as exigências são menos rigorosas. A opção de inserções sólidas pode ser fabricada por impressão 3D, seja com materiais combustíveis ou não combustíveis. Uma alternativa mais simples é a fabricação de elementos de dutos com paredes curvas, como no caso de uma “T” assimétrica. Essa opção é ideal para construções novas, enquanto as inserções moldadas são mais relevantes para a modernização de sistemas de ventilação existentes.

Além disso, para facilitar a aplicação das relações LDC descobertas e otimizar as conexões de dutos, foi desenvolvido um software gratuito chamado "Online LDC Calculator". Este programa, disponível no site da Universidade Estadual de Arquitetura e Engenharia de Kazan, oferece uma maneira prática de calcular o LDC e a queda de pressão de diferentes tipos de conexões de dutos. Ao inserir a taxa de fluxo e as dimensões dos acessórios, o software calcula automaticamente os valores necessários, proporcionando uma maneira conveniente de avaliar a eficiência do design aerodinâmico.

No caso do sistema de ventilação “Exaustão-1”, uma série de cálculos aerodinâmicos foi realizada para avaliar o impacto das conexões de dutos moldados nas perdas de pressão. Para os dutos padrão, as perdas de pressão foram de 302 Pa, enquanto que, ao utilizar os acessórios moldados, as perdas foram reduzidas para 152 Pa. Isso demonstra que a aplicação de peças moldadas pode resultar em economias substanciais de energia, reduzindo o consumo do ventilador e, consequentemente, o custo com eletricidade. Quando o sistema de ventilação opera em turno único, a economia anual de energia pode chegar a 2096,5 kWh, o que pode ser dobrado em um sistema de operação em turnos duplos.

A consideração das perdas de pressão e do impacto aerodinâmico das conexões de dutos é, portanto, uma etapa fundamental no design de sistemas de ventilação eficientes. O uso de técnicas de modelagem avançada, como as inserções moldadas e o cálculo preciso do LDC, não só melhora o desempenho do sistema, mas também contribui significativamente para a redução dos custos operacionais ao longo do tempo.

Como os sistemas de ventilação e o uso de peças moldadas podem reduzir o consumo de energia em edifícios comerciais

A eficiência energética em sistemas de ventilação de edifícios tem se tornado uma questão central no contexto de construção sustentável. A análise do consumo de energia de sistemas de ventilação mostra que, em um edifício de escritórios, os sistemas originalmente consumiam 82,4 kW, o que resultava em um total anual de 160.845 kWh. Com o uso de componentes moldados avançados, o consumo foi reduzido para 55,08 kW, representando uma economia de 33,2%, ou 27,32 kW, o que se traduz em uma redução de custos de eletricidade de 3.950 € anuais para o edifício inteiro. Isso demonstra a viabilidade de implementar soluções de economia de energia, já que o impacto financeiro de tais inovações pode ser significativo. Além disso, a diminuição do consumo de energia também permitiu a redução do tamanho das unidades de fornecimento e exaustão, proporcionando uma economia adicional de 8.900 € em custos de capital.

A redução do consumo de energia em sistemas de ventilação é especialmente relevante considerando o alto custo dos sistemas de energia elétrica em edifícios públicos. De acordo com um estudo da “Center for Energy Efficiency – 21st Century” (Bashmakov 2005), o consumo total de energia pelos sistemas de utilidades em um edifício é de cerca de 45–55 kWh/m²/ano, dos quais aproximadamente 9% são atribuídos aos motores dos ventiladores. Assim, em edifícios comerciais, como centros de escritórios, o consumo específico de energia é da ordem de 10,2 kWh/m²/ano. Esta cifra, no entanto, pode ser subestimada, pois considera apenas os sistemas mais longos, enquanto o número total de sistemas no edifício pode ser maior. Em comparação, os edifícios públicos nos EUA apresentam uma faixa de consumo que varia de 71 a 524 kWh/m², com uma média de 157,2 kWh/m²/ano.

Com base em estudos como o de Bashmakov, é possível estimar o retorno sobre o investimento na utilização de elementos moldados de dutos para sistemas de ventilação. Esses cálculos podem ser aplicados a edifícios públicos de diferentes tipos, usando o consumo de energia original dos sistemas de ventilação ou a área atendida. No entanto, é importante destacar que esses cálculos são aproximados e consideram apenas os sistemas de ventilação compostos por dutos retangulares, sem levar em conta a resistência adicional de dispositivos de filtragem de ar e tratamento de ar.

Exemplos de aplicação mostram a viabilidade dessas economias em diferentes contextos. Em Kazan, na Rússia, uma avaliação do consumo de energia para a operação de sistemas de ventilação em 30 edifícios públicos, com uma área total de 152,7 mil metros quadrados, indicou um consumo total de 2,64 GWh por ano. A redução de energia devido ao uso de peças moldadas de dutos pode gerar uma economia anual de 41,22 mil €, destacando o potencial significativo de economias em custos operacionais. Em grandes centros comerciais, por exemplo, com uma área total de 383 mil metros quadrados, a economia anual pode chegar a 130 mil €, o que demonstra a escala do impacto da implementação dessas melhorias.

Além das economias de energia e redução de custos, é importante considerar o impacto ambiental das melhorias na eficiência energética. A redução do consumo de energia de ventilação contribui diretamente para a diminuição da pegada de carbono de edifícios, alinhando-se às metas globais de sustentabilidade e redução de emissões de gases de efeito estufa. Essa abordagem não apenas diminui os custos operacionais, mas também promove um ambiente de trabalho mais sustentável, o que é cada vez mais valorizado por organizações e usuários finais.

Em termos de eficiência energética, além da melhoria dos componentes dos sistemas de ventilação, a forma como esses sistemas são operados também desempenha um papel crucial. A utilização de sistemas de ventilação com controles automatizados, que ajustam a velocidade dos ventiladores e a distribuição do ar conforme a ocupação e as condições ambientais, pode proporcionar uma economia adicional considerável. Isso pode ser particularmente relevante em edifícios que apresentam variações no uso durante o dia, como escritórios e centros comerciais.

A introdução de tecnologias de ventilação mais eficientes também pode afetar positivamente a saúde e o bem-estar dos ocupantes. Em ambientes como salões de manicure, onde o acúmulo de poeira pode representar um risco para a saúde, o uso de capôs de exaustão localizados foi identificado como uma solução eficaz para capturar as emissões de poeira. A poeira gerada durante procedimentos de manicure com lixas ou máquinas de perfuração tem concentrações significativas de partículas, que frequentemente excedem os limites normativos de qualidade do ar interno. O uso de capôs de exaustão localizados ajudou a reduzir substancialmente a concentração de partículas, promovendo um ambiente mais saudável tanto para os profissionais quanto para os clientes. Esses exemplos demonstram a versatilidade das melhorias tecnológicas na ventilação, que podem ser aplicadas não apenas em grandes edifícios comerciais, mas também em pequenas empresas e estabelecimentos que, à primeira vista, poderiam não parecer candidatos ideais para tais inovações.

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