Entre os dias 4 e 8 de Fevereiro de 2024, em Houston – TX, aconteceu a conferência anual do CTI – Cooling Tower Institute, o evento mais prestigiado deste setor no mundo.
A FanTR esteve presente não apenas como expositora de produtos e soluções para torres de resfriamento, mas também como palestrante.
Confira a publicação sobre o evento em: 2024 CTI ANNUAL CONFERENCE AND CTI EXPO.
Seleção de Materiais para Pás de Ventiladores: Um Guia Completo
Marcelo Carvalho, diretor comercial, e Ricardo Costa, coordenador de P&D, apresentaram em um seminário educativo intitulado: “seleção de materiais para pás e ventiladores: um guia completo”
Durante essa participação, ambos compartilharam valiosos conhecimentos que estão apresentados neste artigo.
Confira abaixo:
Foto: Evento CTI 2024
Durante a apresentação, a FanTR buscou esclarecer a relação entre o desempenho aerodinâmico e o desempenho estrutural de ventiladores axiais de grande porte, bem como, a relação entre os materiais e os processos de fabricação das pás.
Além disso, foram abordados pontos importantes na escolha dos fixadores, com ênfase nos aplicados nos cubos dos ventiladores.
Foi possível elucidar que a análise de propriedades mecânicas é apenas uma das características para definição do melhor material. As possibilidades de projeto associadas a cada material e processo de manufatura, que definem a liberdade de criação de geometrias aerodinâmicas complexas, foi o tema central da apresentação.
Como exemplo foi apresentada algumas possíveis geometrias de transição entre a pá e o cubo dos ventiladores:
Figura 1: Transição abrupta Figura 2: Transição Suave
Nota-se que na primeira figura a transição entre a pá e o cubo é feita de forma abrupta, resultando em melhores condições aerodinâmicas na região da raiz da pá. A segunda figura detalha uma transição suave que, apesar se ser estruturalmente mais conservadora, pode ocasionar problemas de recirculação aerodinâmica na região da raiz, e consequentemente, uma menor eficiência do ventilador.
A FanTR explicou a origem desta condição aerodinâmica e salientou que a adoção de um seal disk, como mostrado na figura 2, pode minimizar o problema. Também salientou que nem todo ventilador necessita de um seal disk. Se o fabricante puder aumentar a espessura do material na região da raiz da pá para dissipar os esforços mecânicos, uma transição abrupta pode ser adotada.
Nesse caso a condição de recirculação na raiz é resolvida e melhores eficiências podem ser alcançadas. Essa é uma condição, porém, que nem todos os materiais/processos podem fornecer.
Análise de recursos para projetos aerodinâmicos
Foram apresentados alguns recursos aerodinâmicos disponíveis para projeto de pás de ventiladores eficientes. Dentre eles podemos destacar a variação da corda (medida do comprimento do perfil aerodinâmico) entre a raiz a ponta e a torsão da pá.
Figura 3: Variação da corda entre raiz e ponta da pá para manter vazão (velocidade) uniforme
Figura 4: Exemplo de torsão aerodinâmica da pá para compensar a diferença de velocidades entre raiz e ponta
Foi demonstrado que a velocidade do ar na pá do ventilador não é constante. Devido ao movimento de rotação, a ponta da pá conta com uma velocidade maior que a raiz. Os valiosos recursos aerodinâmicos apresentados nos exemplos acima foram detalhados na apresentação.
Eles são utilizados para homogeneizar a vazão de ar produzida ao longo da posição radial do ventilador, equilibrar os esforços aerodinâmicos e melhorar a eficiência total do ventilador. Esses recursos, porém, não podem ser empregados dependendo do material ou processo de manufatura escolhido.
Neste ponto, por meio dos exemplos propostos, ficou claro a intrínseca relação entre performance aerodinâmica e estrutural com o tipo de material/processo escolhido.
A seguir a FanTR passou a exemplificar os materiais utilizados na fabricação das pás de ventiladores axiais de grande porte: compósitos e alumínio.
Comparativo entre os materiais e processos de fabricação de Alumínio e Compósitos
Em relação ao alumínio, foi esclarecido que suas propriedades são definidas por normas, geralmente divididas por ligas, sendo um isotrópico. Para ventiladores de grande porte, os processos de manufatura se restringem principalmente a dois: extrusão ou moldagem.
A extrusão dá origem a estruturas contínuas de alumínio, impossibilitando a aplicação dos recursos de projeto aerodinâmico mencionados anteriormente. O processo de moldagem em alumínio é mais versátil, sendo viável apenas com espessuras de chapas muito finas. A espessura das chapas limita a resistência das pás e sua aplicação em projetos com elevadas cargas, como ACCs (Air Cooler Condensers). A resistência ao impacto também é comprometida nesse caso.
Posteriormente, a FanTR abordou a definição de material composto e as diversas opções de composição desses materiais, destacando que, quando associadas aos processos de manufatura, podem resultar em propriedades mecânicas bastante distintas. Como ilustração, foi apresentado um gráfico que delineou uma visão geral de pesos e resistências de diferentes materiais:
Figura 5: Comparação de peso e resistência de materiais
A FanTR chamou a atenção para a “posição estratégia” dos compósitos nesse gráfico, ocupando uma posição de densidade (peso) intermediária. Também chamou a atenção para a escala logarítmica de resistência (eixo vertical do gráfico).
Nesse exemplo as resistências podem variar de <100MPa até >1.000MPa. O que explica essa diferença é a composição do material em si (combinação de fibras, resinas etc.) e o processo de manufatura associado.
A FanTR exemplificou alguns processos de manufatura de compósitos, como Hand Lay Up, RTM e Infusão. Também trouxe comparações de resistências mecânicas de compósitos “iguais” – mesma resina e fibra – porém com processos de manufatura diferentes. Foi possível notar que o processo de infusão dá origem a compósitos com resistências mecânicas muito superiores ao processo de Hand Lay Up e também ao alumínio.
Essa superioridade é atribuída ao melhor controle de qualidade do processo e à obtenção de compósitos com um teor de fibra significativamente maior em comparação ao processo manual.
Alumínio ou Compósito: Qual a melhor escolha?
Por fim, a FanTR buscou concluir sua apresentação por meio do seguinte quadro:
Figura 6: Quadro comparativo entre Alumínio e Compósitos
Essa tabela resume integralmente a apresentação. Os materiais utilizados na fabricação de pás de ventiladores de grande porte são destacados em duas colunas: alumínio e compósito.
As linhas discriminam os resultados em duas categorias: a possibilidade de aplicação plena dos recursos de projeto aerodinâmico ou com alguma restrição. Como desdobramento, no interior da tabela, são apresentados os processos de manufatura associados.
Observa-se que tanto o alumínio quanto o compósito possuem processos limitados, como a extrusão e a pultrusão. Esses são processos de manufatura contínua sem possibilidade de emprego de corda variável, torsão ou otimização de espessura ao longo do comprimento da pá, limitando a possibilidade de otimização aerodinâmica e estrutural e, consequentemente, a performance dos ventiladores. Esses processos resultam em estruturas mais baratas.
Por outro lado, em termos de geometria, ambos os materiais podem se beneficiar de processos com mais liberdade de projeto. Compósitos moldados podem assumir geometrias complexas com facilidade. O alumínio moldado, por sua vez, oferece liberdade de projeto com algumas limitações.
Embora o alumínio possa ser moldado em geometrias mais complexas, geralmente é realizado com chapas finas. Dada a limitação na espessura e resistência estrutural das chapas, são necessárias algumas condições de contorno, especialmente na região de transição entre o cubo e a pá.
Isso eleva o custo do ventilador e não resolve integralmente os desafios estruturais, tornando-se um processo restritivo para projetos que envolvem altas cargas ou requisitos de impacto.
Finalmente, os compósitos moldados destacam-se pela flexibilidade de projeto aerodinâmico e estrutural, podendo dar origem a estruturas muito otimizadas. Nesse contexto, alguns processos de manufatura, como a infusão, se sobressaem ao proporcionar excelentes propriedades mecânicas, maior resistência à fadiga e um controle mais preciso da qualidade do processo, uma vez que é menos dependente da habilidade de um profissional laminador.
Vale notar que a quantidade de insumos necessários na fabricação das pás por infusão naturalmente eleva os custos de produção.
Como pode ser observado no contexto apresentado, não existe material ou processo certo ou errado para aplicação em pás de ventiladores axiais. O que existe é um compromisso entre eficiência aerodinâmica/estrutural em comparação ao custo. Soluções mais eficientes custam mais caro.
É correto assumir, portanto, que a análise financeira de uma aplicação seja realizada tomando como base o consumo de energia em perpetuidade (por exemplo, 20 anos de operação continua).
A economia de energia futura pode ser trazida a valor presente como forma de se comparar de forma justa o custo de todas as soluções disponíveis no mercado no momento da negociação.
