LEVANTAMENTO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM
EXAUSTOR EÓLICO II
RESUMO: SILVA, P.B.L.; MAULER JÚNIOR, J.; CALÇADA, L.A., SCHEID, C.M. Levantamento das curvas características de um exaustor eólico II. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da Terra, Seropédica, RJ: EDUR, v.23, n.1-2, p. 69-75, jan.- dez., 2004. A secagem de produtos agroindustriais é uma operação unitária muito utilizada tanto na indústria química como na de alimentos. O processo de secagem, geralmente, ocorre com o auxílio de um soprador elétrico para o suprimento de ar. Dando continuidade a trabalhos anteriores, estuda-se a possibilidade de substituir o soprador convencional pelo exaustor eólico. Para tanto, realizou-se a caracterização, de um exaustor com altura de 80 cm e diâmetro da região aletada de 96 cm, através de suas curvas de vazão de ar-queda de pressão e velocidade do vento-vazão de ar. Estudou-se também, o efeito chaminé ocasionado pela diferença de temperatura interna e externa do equipamento. Palavras-chave: energia eólica, secagem, efeito chaminé.
ABSTRACT: SILVA, P.B.L.; MAULER JÚNIOR, J.; CALÇADA, L.A., SCHEID, C.M. The study of charac-teristic relation for an aeolian exhaust fan. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da Terra, Seropédica, RJ: EDUR, v.23, n.1-2, p. 69-75, jan.- dez., 2004. The drying of agroindustrial products is a unit operation very common in chemical and food industries. The drying process, generally, occurs with the aid of an electric fan for the air suppliment. In this work, it is studied the possibility to substitute the electric blower for an aeolian exhaust fan. For in such a way, the characterization of an aeolian exhaust fan, with 80 cm of height and 96 cm of diameter fi nned part, was established through the relations wind velocity-rotation and air pressure fl ow-drop. It was studied also, the chimney effect caused for the difference of internal and external equipment temperature.
Key words: aeolian energy, drying, stack effect.
PATRICK BERTOLO LUCAS DA SILVA1
JORGE MAULER JÚNIOR2
LUÍS AMÉRICO CALÇADA3
CLAUDIA MIRIAM SCHEID4
1. Bolsista de Iniciação Científi ca/CNPq/UFRuralRJ e discente do Curso de Engenharia Química; 2. Mestrando em Engenharia Química/FAPERJ/PPGEQ/DEQ/IT/UFRuralRJ;
3 e 4. Docentes do Curso de Engenharia Química DEQ/IT/UFRuralRJ.
INTRODUÇÃO
A secagem é uma operação unitária de fundamental importância na indústria. Através desta operação, diversos produ-tos têm seu teor de umidade reduzido, acarretando a diminuição de sua massa e volume. O processo de secagem, normal-mente, ocorre com a passagem de gás aquecido através de um leito de grão, seja ele leito fi xo ou móvel. Em todos os casos, o suprimento de ar ao sistema é feito por um soprador elétrico.
Sendo o exaustor eólico acionado pela força do vento ou por convecção de ar,
este trabalho tem como objetivo estudar a possibilidade de utilizar o exaustor para suprimento de ar em determinados tipos de secadores convectivos, substituindo os convencionais sopradores elétricos. Para essa tentativa, torna-se necessária então a caracterização do mesmo através das curvas de vazão de ar-queda de pressão e velocidade do vento-vazão de ar.
O efeito chaminé, fenômeno que con-siste na movimentação vertical de uma massa gasosa localizada ou de fl uxo de gases devido à diferença de temperatura ou pressão com o meio, deve ser consid-erado e estudado em meio à
caracteriza-ção do exaustor eólico, pois é responsável por parte da propulsão de ar observada
na unidade experimental. O movimento
da corrente de ar promovido pelo exaus-tor acrescido da contribuição do empuxo térmico representa a corrente total de ar.
Diversos equacionamentos são uti-lizados na avaliação do efeito chaminé. Macyntire (1990) propõe uma equação descrevendo a contribuição da vazão volu-métrica de ar devido ao empuxo térmico, dada por
(1)
onde A corresponde a área da abertura em ft2, h representa a altura entre o extremo
mais baixo no ambiente e a altura da aber-tura, Ti e Te representam as temperaturas no interior e exterior do ambiente e o valor de 9,4 é um termo ligado à obstrução da passagem de ar. Vale ressaltar que para aberturas obstruídas este valor passa a 7,2.
Boulard et al. (1996), descrevendo a ventilação em estufas de vegetais, fornece a equacão 2 para representar a variação de pressão devida à diferença de temperatura entre um ambiente externo e interno
(2)
onde ρ é densidade do ar em kg/m3, H é a
altura da abertura em relação ao solo em metros, Te corresponde a uma tempera-tura externa ao ambiente e Ti temperatura interna.
Perry e Chilton (1980) sugerem a equação 3 para representar variação de pressão devida à diferença de temperatura em chaminés:
(3)
onde H é a altura da chaminé em pés, ρ representa a densidade do ar no interior da chaminé, Ti a temperatura interna em graus Rankine e Te a temperatura externa igualmente em graus Rankine.
Scheid et. al (2002) caracterizaram um exaustor eólico com 63 cm de altura e região aletada com 82,7 cm de diâmetro. Neste trabalho, será caracterizado um exaustor eólico do mesmo tipo, entretanto com dimensões maiores, altura de 80 cm e diâmetro da região aletada de 96 cm, buscando desta forma atingir uma faixa maior de aplicabilidade.
MATERIAL E MÉTODOS O Exaustor Eólico
Neste estudo foi utilizada uma unidade de exaustão eólica do tipo cogumelo, cons-truída em alumínio, utilizada, geralmente, na refrigeração de ambientes fechados através da renovação de ar. O exaustor utiliza as forças provenientes da ação do vento, provindas de qualquer ponto cardeal, para exercer a exaustão de ar do interior de ambientes fechados. Correntes ascendentes devido ao empuxo térmico, também correspondem à uma parcela de seu acionamento. As dimensões do exaustor utilizado neste trabalho podem ser avaliadas na Figura 1 e Tabela 1. Sendo os dados referentes aos exaustores prove-nientes da indústria LUFTMÁXI.
Tabela 1. Dimensões do exaustor.
A Unidade Experimental
Para a realização do estudo proposto foi montado o esquema experimental, in-dicado nas Figuras 2 e 3, que é composto de exaustor eólico acoplado a um cilindro metálico de 1,7 metros de altura e 0,65 metros de diâmetro interno, revestido externamente por uma camada de isopor de 1 cm de espessura. O silo é dotado de uma janela na sua região intermediária. Na mesma região do silo, internamente, encontra-se um suporte removível para fi xação do anemômetro, necessário às medições de velocidade. Ao eixo do ex-austor é conectado um motor de rotação variável. O uso do motor permite simular, em situações controladas, a ação do
Figura 2. Esquema da unidade experimental.
Na base do cilindro foram acopladas 10 resistências de 110 Watts, que serão usadas para promover o acréscimo de temperatura necessária à secagem, mostradas na Figura 3. Vale ressaltar que as resistências não foram utilizadas
du-rante os experimentos de caracterização, pois ocasionariam obstruções, gerando medições inadequadas de velocidades do ar no interior do silo.
Os equipamentos utilizados nos experi-mentos constaram de fototacômetro digital, usado no ajuste e obtenção do número de rotações do exaustor; anemômetro digital de hélice usado na coleta de dados de velocidade de ar no interior do silo; micro-manômetro digital usado na obtenção de valores de quedas de pressão e termohi-grômetro digital utilizado na obtenção de dados de temperatura e umidade relativas internas.
Figura 3. Resistências instaladas na base interna do silo.
Levantamento da curva vazão de ar-rotação: para cada rotação do exaustor obteve-se a vazão mássica de ar corre-spondente.
A vazão foi calculada a partir das medi-das da velocidade de ar em três posições radiais, na altura mediana do cilindro, através de uma quadratura gaussiana de três pontos:
(4)
onde v1, v2 e v3 são as velocidades do ar nas posições radiais 0,212R, 0,591R e 0,911R.
Levantamento da curva vazão mássica de ar-queda de pressão: para diferentes rotações do exaustor foram medidas a vazão de ar e a queda de pressão entre a
entrada e a saída do exaustor. De forma a proporcionar perdas de carga variadas no sistema, foram colocadas telas com diferentes aberturas para passagem de ar. As quatro telas utilizadas apresentavam as seguintes áreas de abertura: 1mm2, 3mm2,
17,5mm2 e 25mm2.
Levantamento da curva velocidade do vento-rotação: para tornar possível a obtenção da curva velocidade do vento-ro-tação foi montado o aparato experimental indicado na Figura 4. Para a simulação do vento foi utilizado um ventilador axial de 2 HP de potência e 65 cm de diâmetro de pás. Com a fi nalidade de medir a velo-cidade do ar em diversos pontos ao longo do eixo vertical e horizontal próximos ao exaustor, fez-se uso de um suporte para o anemômetro. O suporte do anemômetro, sem a presença do exaustor, foi deslocado da proximidade do ventilador axial de 20 em 20 cm a partir de um distanciamento de 60 cm do ventilador até a distância de 280 cm. Para cada valor de distanciamento do ventilador, foram coletadas velocidades em 20 pontos (coordenadas) no plano vertical de impacto, correspondente ao exaustor eólico ilustrado na Figura 5. Os valores médios de todas as coordenadas deram origem a um valor fi nal correspondente à velocidade do vento nesta distância do ventilador. Os valores de rotação do exaus-tor foram registrados posicionando-se o mesmo, após a medição de velocidade, abaixo do suporte compondo um total de
Figura 4. Esquema da unidade para simulação do vento.
Figura 5. Conformação frontal dos pontos de medição de velocidade do ar tendo como referência o ventila-dor axial (em tom escuro) adotado para promover a simulação da ação do vento.
Efeito chaminé: Para realizar o estudo acerca da infl uência da temperatura foram construídas curvas de vazão mássica de ar-rotação e queda de pressão-rotação para o sistema sem e com aquecimento através das resistências esquematizadas na Figura 3.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização do exaustor
Através da Figura 6 é possível perceber uma dependência linear da vazão de ar com a rotação do exaustor, de forma que a vazão aumenta com o aumento da rota-ção, como esperado. Acredita-se que este comportamento linear não se mantenha indefi nidamente com o aumento da rotação do exaustor, mas que tenda a um valor
Figura 6. Relação entre a vazão mássica de ar e rotação do exaustor.
Através da Figura 7 pode-se verifi car que a curva velocidade do vento-rotação também apresenta uma dependência lin-ear entre o número de rotações e a veloci-dade do vento dentro da faixa operacional adotada.
De posse dos dados experimentais apresentados nas fi guras 6 e 7, pode-se construir o gráfi co relacionando a vazão mássica de ar com a velocidade do vento incidente no exaustor (Figura 8), que apresenta maior interesse prático na especifi -cação da aplicabilidade do equipamento. Tal como esperado, essa curva apresenta comportamento linear, já que suas duas curvas precursoras apresentavam caráter linear.
Figura 7. Curva característica velocidade do vento-número de rotações do exaustor.
Figura 8. Curva característica vazão mássica de ar-velocidade do vento.
Figura 9. Relação entre vazão mássica de ar e a queda de pressão para diferentes rotações do exaustor.
A curva vazão mássica de ar-queda de pressão, apresentada na Figura 9, revela que pequenas restrições à passagem de ar (telas com aberturas grandes) propor-cionam considerável redução da vazão mássica de ar. Isto indica que o exaustor eólico não é adequado para sistemas de secagem que proporcionem grande perda de carga, como os de leito fi xo. A utilização do mesmo estaria restrita a secadores de bandeja vertical ou a sistemas semel-hantes a defumadores.
Efeito de temperatura
Nas Figuras 10 e 11 são apresentadas, respectivamente, as curvas vazão mássica de ar-rotação e queda de pressão-rotação, ambas, nas condições com e sem aqueci-mento. Percebe-se que tanto os valores de vazão mássica de ar como os de queda de pressão sofreram considerável acréscimo em experimentos com aquecimento, para todos os valores de rotação. Desta forma, a temperatura mostrou-se infl uente para to-dos os valores experimentais de rotações, ao contrário dos experimentos de Scheid et al (2002), onde para valores acima de 80 RPM, os efeitos inerciais suplantaram o efeito de temperatura de forma que os mesmos tornaram-se imperceptíveis. Acredita-se que o isolamento térmico do
silo tenha favorecido o efeito de tempera-tura no presente experimento.
Figura 10. Vazões mássicas para experimentos com aquecimento e sem aquecimento utilizando rotações de 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 RPM.
Figura 11. Variação de pressão para os experimentos sem e com aquecimento na unidade experimental para rotações de 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 RPM.
A validade das equações de Boulard et al. (1995) e Perry e Chilton (1980), as quais descrevem a diferença de pressão provocada pelo efeito chaminé, e Macynti-re (1990), que descMacynti-reve a contribuição do efeito em vazão volumétrica de ar, foram testadas através da comparação entre
os resultados experimentais obtidos e os resultados oriundos da aplicação de tais equações.
Inicialmente realizou-se uma regressão linear dos dados experimentais para a curva de queda de pressão-rotação sem aquecimento fornecendo a equação
(5) que foi então somada as equações da literatura (Perry e Chilton (1980) e Boulard et al. (1995)) descrevendo a variação de pressão para o efeito chaminé, resultando assim nas equações 6 e 7, descrevendo, cada uma delas, os dois efeitos simulta-neamente, quais sejam:
(6)
(7)
A Figura 12 permite constatar que as equações 6 e 7 aproximam-se muito do re-sultado experimental apontando um desvio médio de 6%, validando as mesmas.
Figura 12. Comparação entre os resultados experi-mentais para variação de pressão com aquecimento (efeito chaminé e inercial) e calculados pelas equa-ções 6 e 7.
Figura 13. Comparação entre os resultados experi-mentais de vazão mássica de ar com aquecimento e calculados a partir do equacionamento de Macyntire (1990) modifi cado, acrescido da equação 8.
Seguindo a mesma lógica de equac-ionamento do efeito chaminé no tocante à queda de pressão, foi feita a regressão linear da curva de vazão mássica de ar-rotação sem aquecimento e obteve-se a equação:
W = 15,751*RPM - 559,53 (8) No caso da equação de Macyntire (1990), o parâmetro 9,4 (termo ligado à obstrução de passagem de ar) teve que ser reestimado. Utilizou-se para tanto, o programa STATISTICA e os dados de vazão volumétrica devida ao efeito chami-né obtidos pela subtração das vazões volumétricas experimentais com e sem aquecimento, o que resultou no valor 5,25. Desta forma, a equação 09 foi então somada a equação de Mayntire (1990) modifi cada, ponderada pela densidade do ar, resultando nos dados apresentados na fi gura 13.
CONCLUSÃO
Pode-se concluir a partir dos dados apresentados, que a caracterização do exaustor eólico pode ser dada pelas curvas de velocidade do vento-vazão mássica de ar e vazão de ar-queda de pressão, apresentadas nas Figuras 8 e 9 respec-tivamente.
Para as condições operacionais trabal-hadas a vazão mássica de ar ocasionada pelo exaustor varia linearmente com a velocidade do vento e a curva queda de pressão-vazão mássica de ar tem compor-tamento típico de máquinas de fl uxo.
Pode-se concluir também, que as equações apresentadas na literatura para descrever o efeito de temperatura predizem os resultados experimentais satisfatoriamente.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOULARD, T.; MENESES, J. F.; PAPADA-KIS, G. The mechanisms involved in the natural ventilation of greenhouses. J. Agric.
Engng Res., v. 61, p. 27-36, 1995.
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MACYNTYRE, A. J. Ventilação industrial e controle de poluição, Rio de Janeiro, Editora Gunabara Koogan, 1990.
PERRY, R. H. & CHILTON, C. H. Manual de engenharia química, 5a ed., Guanabara
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SCHEID, C. M.; HALASZ, M. T.; MAS-SARANI, G. Caracterização de exaustor eólico para utilização em secadores. Inc.
Anais do XIV Congresso Brasileiro de Engenharia Química, CD ROM, Natal RN,
