Como a Forma das Peças de Dutos Pode Reduzir o Consumo de Energia em Sistemas de Ventilação

O design eficiente de sistemas de ventilação e condicionamento de ar é essencial não apenas para garantir condições adequadas de microclima em ambientes fechados, mas também para reduzir o impacto ambiental e os custos econômicos relacionados ao consumo de energia. Nos últimos anos, o setor tem se voltado para métodos de otimização que busquem equilibrar as exigências funcionais desses sistemas com o objetivo de minimizar o consumo de eletricidade, particularmente na operação de ventiladores e bombas.

Estudos recentes, financiados por importantes agências de pesquisa como a Fundação Russa de Ciências (RSF), têm se concentrado em soluções inovadoras para melhorar a eficiência energética dos sistemas de ventilação. Um dos avanços mais significativos está relacionado ao estudo das zonas de vórtice, áreas onde o arrasto aerodinâmico nas redes de dutos de ventilação é particularmente alto. A redução do arrasto nessas zonas pode levar a uma economia substancial de energia, uma vez que mais de 85% da eletricidade consumida pelos motores de ventiladores em sistemas de ventilação é destinada a superar esse tipo de resistência ao fluxo de ar.

Entretanto, os desafios de implementação dessa teoria na prática são consideráveis. A utilização de peças de ventilação mais eficientes do ponto de vista aerodinâmico muitas vezes implica em custos mais altos e em um aumento da complexidade do design. Além disso, as modificações necessárias para adaptar esses componentes a ambientes com limitações de espaço podem tornar a adoção dessas soluções pouco prática em muitos casos. Portanto, a verdadeira questão é como balancear esses fatores — o benefício energético e a viabilidade técnica e econômica — de maneira que as melhorias no design do sistema de ventilação possam ser amplamente aplicadas sem comprometer a eficácia e os custos do projeto.

Em um contexto mais amplo, a aplicação de formas otimizadas e técnicas de redução de vórtices pode não se limitar aos sistemas de ventilação e condicionamento de ar. As possibilidades de aplicação dessa abordagem se estendem a outras áreas de engenharia que lidam com fluxos de ar e líquidos, especialmente em processos industriais e sistemas de utilidade pública. A supressão de vórtices e a redução de arrasto podem ser benéficas em uma variedade de configurações, desde sistemas hidráulicos até redes de distribuição de líquidos em indústrias de grande porte. A adaptação dessas técnicas para diferentes sistemas pode ser uma das direções futuras da pesquisa, com o potencial de melhorar a eficiência energética em diversos setores além da ventilação.

Como a Convergência da Malha e o Estudo do Drag em Aberturas Laterais de Dutos de Exaustão Impactam a Eficiência do Fluxo de Ar

No processo de análise do escoamento de ar em um duto de exaustão, o comportamento do fluxo nas aberturas laterais representa um ponto crítico para a otimização do sistema. A combinação de condições de contorno, como foi validado em modelos anteriores, desempenha um papel essencial na simulação do fluxo até a abertura do exaustor. O problema específico tratado aqui envolve a definição de condições de contorno (BCs) na abertura de exaustão, com um fluxo de massa de 1 kg/s, onde a viscosidade do ar (Reynolds número Re) ultrapassa os 50.000. As BCs foram ajustadas de acordo com a geometria do duto, onde as bordas livres BC, CD, DE e EF foram definidas como entradas de pressão (com pressão de sobrecarga zero), enquanto as superfícies sólidas (AI, GF, FJ) foram modeladas como paredes sem fluxo. A área computacional possuía as seguintes dimensões: altura Y = 1 m e largura X = 1,5 m, conforme ilustrado na Figura 3.23, onde é possível visualizar as linhas de fluxo características.

A convergência da malha foi acompanhada pelo cálculo do LDC (Coeficiente de Perda de Pressão), que reflete as perdas de pressão devido ao atrito no duto. Esse coeficiente foi calculado com base na diferença de pressão entre a seção de entrada e a seção de saída do duto, utilizando a equação (3.14). O estudo revelou que, mesmo com diferentes estágios de adaptação da malha, o valor do LDC se manteve praticamente estável, variando entre 5,44 e 5,26, o que indica que o modelo adotado é robusto o suficiente para fornecer resultados consistentes independentemente da refinamento da malha. A análise foi também comparada com dados experimentais, onde a diferença observada pode ser atribuída à natureza tridimensional do escoamento no experimento, em contraste com o estudo numérico 2D.

No contexto experimental, foi utilizado um arranjo descrito na seção 2.3, onde um duto com uma abertura retangular foi investigado. O duto tinha uma largura de 300 mm e uma profundidade de 150 mm, sendo que a largura da abertura poderia ser ajustada por uma barra móvel, obtendo-se, por exemplo, uma largura relativa h/b = 1,875. A pressão estática foi medida com um manômetro, e a taxa de fluxo foi determinada com um pitômetro instalado à frente do ventilador. O arranjo foi complementado com um gerador de vapor para a visualização das zonas de separação de fluxo (VZ).

A principal conclusão do estudo experimental foi que as zonas de separação de fluxo formadas nas bordas da abertura e na extremidade oposta (onde o fluxo se separa devido ao final do duto) têm pouca influência nas perdas de energia, uma vez que a velocidade do fluxo principal é muito baixa nessas zonas. Portanto, modelar o comportamento dessas regiões não resulta em uma alteração significativa no desempenho geral do sistema de exaustão.

É importante destacar que o estudo revela não apenas a interação entre a geometria do duto e a configuração da abertura, mas também a importância da adaptação da malha computacional para garantir a precisão dos resultados. A convergência da malha deve ser considerada um passo fundamental, especialmente quando se trata de modelos de alta complexidade, como o escoamento de fluido em dutos com aberturas laterais.

Como Reduzir a Perda de Carga Local em Capôs de Exaustão: Análise Experimental e Simulações Numéricas

Os fluxos separados próximos às entradas de capôs de exaustão são um fenômeno fundamental em engenharia de ventilação, especialmente no que diz respeito ao desempenho de sistemas de exaustão localizados. Esse fenômeno, quando não controlado, pode levar a perdas significativas de carga, prejudicando a eficiência do sistema. A aplicação de métodos numéricos, como o Método dos Vórtices Discretos (DVM) e a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), têm mostrado grande potencial para o estudo e a mitigação dessas perdas, especialmente em configurações mais complexas, como capôs de exaustão retangulares.

Quando a geometria do capô foi alterada para um ângulo de inclinação de flange de 15°, a obstrução do fluxo principal se tornou um fenômeno típico em quase todos os comprimentos de flange analisados, exceto para o comprimento máximo de 2,5B. Isso demonstra que, embora a geometria mais complexa possa introduzir novos desafios, ela também oferece oportunidades significativas para otimização do fluxo. O uso de simulações numéricas, como o CFD, pode complementar os experimentos e fornecer insights detalhados sobre os comportamentos dinâmicos dos fluxos.

É importante compreender que a redução da perda de carga local não se limita à modificação da geometria da entrada ou do capô. Outros fatores, como a configuração do ducto de exaustão e as características do fluxo de ar (velocidade, pressão estática e dinâmica, etc.), desempenham um papel crucial no desempenho do sistema. A medição precisa dessas variáveis é essencial para validar qualquer solução proposta e garantir a eficácia das modificações. Os dados experimentais obtidos em condições controladas, como a pressão dinâmica de P = 44,2 Pa, a pressão estática de P = -104,0 Pa, e a perda de carga de ΔP = 28,5 Pa, fornecem a base para a avaliação de qualquer projeto de modificação e suas respectivas simulações.

Por meio da discretização das fronteiras do capô de exaustão, é possível aplicar uma abordagem iterativa para calcular o efeito de cada elemento de vórtice em pontos específicos dentro do sistema. O número de camadas de vórtices e o tipo de elementos utilizados variam conforme a complexidade do projeto, com os vórtices do tipo ferradura sendo usados para representar as superfícies de separação de fluxo.

Além disso, é fundamental que os engenheiros e projetistas compreendam as limitações e os erros potenciais nas medições e simulações. A diferença entre os resultados experimentais e os previstos por simulações numéricas, como a discrepância entre uma redução de LDC de 44,3% nas simulações e 30% nos experimentos, pode ser atribuída a imprecisões no design das inserções e erros de medição. Isso enfatiza a importância de uma validação cuidadosa das simulações por meio de testes experimentais para garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados.

Aplicação de Métodos Desenvolvidos para Capô de Exaustão Complexos

Com o avanço das tecnologias de ventilação e a crescente necessidade de otimização dos sistemas de exaustão, é essencial entender o comportamento do fluxo de ar em capôs de exaustão com geometria variada. O estudo detalhado dos fluxos axiais em ductos retangulares de exaustão, com diferentes razões de dimensões laterais, oferece insights valiosos para o projeto de sistemas mais eficientes e com menor consumo energético.

Em termos de dimensões geométricas, a altura do ducto foi definida como A = 0,05 m, enquanto a largura variava de A até 6A. A discretização da fronteira do canal de exaustão foi realizada com um tamanho de passo h = 0,0025 m. O número de camadas para discretizar a superfície lateral foi de 40, e o número de laços vórtices variou de 6401 a 22.401, dependendo da largura B, sendo o valor mais alto atribuído ao ducto de exaustão com a maior largura em relação à altura.

Os resultados numéricos obtidos foram comparados com dados conhecidos, e os valores de velocidade axial mostraram uma boa correspondência com a fórmula de Fletcher e com os experimentos realizados por Kulmala e Saarenrinne (1996). No entanto, observou-se que a velocidade de entrada no ducto de exaustão deveria ser ligeiramente maior do que o valor unitário, devido à formação de vórtices e compressão do jato. Isso se alinha com os resultados experimentais e numéricos de Kulmala, que indicam que a velocidade de entrada no ducto é maior do que a velocidade média na seção de entrada do exaustor.

A análise do campo de velocidades, que envolveu a visualização de linhas isotáxicas (linhas de igual velocidade), confirmou a adequação da abordagem DVM. A comparação dos resultados com os dados experimentais e numéricos mostrou uma alta correlação entre os valores calculados e experimentais, com coeficiente de correlação de Pearson (r = 0,996) e significância estatística alta, conforme o teste de Student e o critério de Fisher.

Além disso, foi realizada uma validação experimental dos contornos de vórtices (VZ) no ducto retangular, com diferentes larguras e relação de altura, nas quais os resultados obtidos pelo DVM mostraram uma correspondência precisa com os contornos dos vórtices observados experimentalmente, especialmente quando o número de Reynolds (Re) era maior que 4,2 · 10⁴. Em regimes turbulentos desenvolvidos, os contornos de VZ não apresentaram grandes variações, reforçando a adequação física dos resultados obtidos.

É fundamental, ao interpretar os resultados de estudos como este, compreender que a geometria do ducto de exaustão exerce uma influência significativa no comportamento do fluxo de ar. A relação entre a altura e a largura do ducto pode afetar a formação de vórtices e o regime de turbulência, impactando a eficiência do sistema de exaustão. Além disso, a interação entre o fluxo de ar e a geometria do capô deve ser cuidadosamente analisada para garantir a otimização do desempenho, especialmente em sistemas com variabilidade nas dimensões.

Ao projetar sistemas de exaustão, é crucial que os engenheiros considerem esses aspectos para evitar perdas de eficiência, como o aumento da resistência ao fluxo ou a formação inadequada de vórtices que podem levar a uma distribuição não uniforme da velocidade no ducto. Métodos como o DVM e simulações CFD oferecem uma forma eficaz de prever e ajustar esses comportamentos, contribuindo para um design mais preciso e eficaz de sistemas de ventilação.