Taxa de atrito e velocidade, as duas alavancas
Cada pé de duto reto custa ao ar um pouco de pressão estática, à medida que ele arrasta ao longo da parede. Expresso por unidade de comprimento, esse custo é a taxa de atrito: polegadas de coluna d'água por 100 pés de duto no sistema imperial, ou pascals por metro no SI. A velocidade é o quão rápido o ar se desloca pelo trecho, em pés por minuto ou metros por segundo. As duas estão ligadas. Force uma vazão fixa por um duto menor e a velocidade sobe, e a taxa de atrito também; abra o duto e as duas caem.
Dimensionar um duto é escolher onde se posicionar nesse compromisso. Um duto maior é mais silencioso, perde menos pressão e economiza energia do ventilador durante toda a vida do edifício, mas custa mais em aço e ocupa mais espaço no forro. Um duto menor é mais barato e mais fácil de rotear, mas é mais ruidoso e faz o ventilador trabalhar mais a cada hora em que opera. A taxa de atrito e a velocidade são os dois ajustes que definem esse equilíbrio.
O ábaco de atrito e o método da perda de carga constante
A ferramenta clássica é o ábaco de atrito de dutos. Ele relaciona quatro grandezas para duto redondo com ar padrão: vazão em cfm, diâmetro do duto, velocidade e taxa de atrito. Fixe duas quaisquer e as outras duas podem ser lidas direto no ábaco. Para ter uma noção dos números, cerca de 6000 cfm em um duto redondo de 28 in. correm a aproximadamente 1400 fpm e perdem cerca de 0,08 in. w.g. por 100 ft. O ábaco é uma solução gráfica da equação de atrito de Darcy-Weisbach, e é por isso que a perda de carga sobe tão acentuadamente com a velocidade: ela cresce aproximadamente com o quadrado da velocidade.
A forma mais comum de usar o ábaco em um sistema comercial de baixa pressão é o método da perda de carga constante. Escolhe-se uma única taxa de atrito e dimensiona-se todos os trechos do duto para ela. Como a vazão diminui à medida que o percurso se ramifica enquanto a taxa de atrito permanece constante, a velocidade cai por conta própria em direção às extremidades do sistema, o que reduz discretamente o ruído do ar perto das saídas. Uma taxa de atrito em torno de 0,08 a 0,10 in. w.g. por 100 ft é um ponto de partida típico, frequentemente perto de 0,10 no insuflamento e 0,08 no retorno. É uma diretriz de projeto, não um limite normativo. A faixa razoável vai de cerca de 0,05 in. w.g. por 100 ft para um sistema silencioso e eficiente em energia até cerca de 0,15 para um sistema mais compacto e mais barato, e o valor adequado sempre depende do projeto.
A perda de carga constante é popular porque é simples e se adapta bem a sistemas de volume constante. Sua principal fraqueza é que ela não equaliza a pressão disponível em cada ramal, a menos que o traçado seja simétrico, e por isso são necessários dampers de balanceamento para ajustar os trechos curtos perto do ventilador em relação aos trechos longos até os ambientes mais distantes.
Velocidades de ar recomendadas
A velocidade é limitada por cima pelo ruído e pelo custo, não pela física, de modo que os valores úteis são recomendações e não limites. As velocidades tradicionais para ar-condicionado de conforto, por tipo de edifício, são:
| Duto |
Residências |
Escolas, escritórios, edifícios públicos |
Industrial |
| Duto principal | 700-900 fpm | 1000-1300 fpm | 1200-1800 fpm |
| Ramal | 500-700 fpm | 600-900 fpm | 800-1000 fpm |
Essas são diretrizes de projeto recomendadas, e não valores de norma. Uma regra prática dimensiona os ramais em cerca de 60 a 80 por cento da velocidade do duto principal e o trecho final até o difusor em torno de 50 por cento, o que mantém o ar lento e silencioso onde ele entra no ambiente. Os difusores de insuflamento e as grelhas de retorno costumam ser mantidos em algumas centenas de fpm de velocidade de face pelo mesmo motivo.
Velocidade, ruído e potência do ventilador
As penalidades da velocidade crescem de forma desfavorável. Em um determinado duto, a perda por atrito sobe com aproximadamente o quadrado da velocidade, e a potência do ventilador necessária para vencê-la com o cubo, de modo que dobrar a vazão de ar dobra a velocidade, quadruplica aproximadamente a perda por atrito e eleva a potência do ventilador em cerca de oito vezes. Uma velocidade maior também gera diretamente mais ruído de ar, e é por isso que a velocidade é mantida baixa para que o nível de ruído NC ou RC seja aceitável nos espaços ocupados. Como um teto de ruído, e não como meta de projeto, um duto principal retangular que passa por um espaço ocupado costuma ser limitado a cerca de 2000 fpm para uma meta de ruído relaxada e a menos de 1000 fpm para uma meta rigorosa, e é por isso que as velocidades de projeto recomendadas na tabela acima ficam bem abaixo do limite relaxado; o duto redondo tolera velocidades maiores antes de ficar ruidoso.
Quanto à velocidade, os sistemas são agrupados de forma aproximada em baixa velocidade, até cerca de 2000 fpm, média velocidade, de cerca de 2000 a 2500 fpm, e alta velocidade, acima de aproximadamente 2500 fpm. A linha divisória não é um número único e fixo; ela já foi colocada em pontos diversos entre 1500 e 2500 fpm, conforme a fonte.
Quando a perda de carga constante não é o método
A perda de carga constante é o padrão para sistemas de baixa pressão, mas dois outros métodos aparecem em sistemas maiores ou de velocidade mais alta.
- A recuperação estática dimensiona o duto de modo que a velocidade seja reduzida em degraus ao longo do percurso, deixando que a pressão de velocidade recuperada compense a perda por atrito no trecho seguinte. O resultado é uma pressão estática aproximadamente uniforme em cada ramal, o que facilita a seleção das saídas de ar e o balanceamento. É a escolha habitual para distribuição grande, de alta velocidade e VAV, quase sempre no duto de alta pressão entre a unidade de tratamento de ar e as caixas VAV.
- A redução de velocidade simplesmente atribui velocidades progressivamente menores ao duto principal, aos ramais e aos trechos finais a partir de uma tabela de velocidades, e depois dimensiona cada trecho com área igual à vazão dividida pela velocidade. É rápida, mas depende fortemente do julgamento do projetista.
Duto redondo e diâmetro equivalente
O formato do duto altera o atrito antes mesmo de qualquer método ser aplicado. Para uma dada área de seção transversal, o duto redondo tem o menor perímetro e, portanto, a menor parede para o ar roçar, o que lhe dá a menor perda de carga entre todas as formas. A vantagem aumenta à medida que o duto retangular é achatado em uma proporção mais alongada. É por isso que o duto redondo e o duto espiral são a escolha eficiente em trechos longos e de grande vazão, onde o atrito e a energia do ventilador importam, e é uma das razões pelas quais uma máquina formadora de tubo espiral tem seu lugar ao lado de uma linha retangular, e não no lugar dela.
Para comparar os dois de forma justa usa-se o diâmetro equivalente: o diâmetro de um duto redondo que transportaria a mesma vazão com a mesma perda de carga de um determinado duto retangular. É a base correta para ler uma medida retangular em um ábaco de atrito para duto redondo. Veja nosso comparativo entre duto redondo e retangular para o balanço completo e as tabelas de dimensionamento retangular e espiral para as dimensões.
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Do atrito ao ventilador e ao chão de fábrica
A taxa de atrito e a velocidade não são apenas um exercício de dimensionamento. Elas definem o ventilador. O ventilador precisa produzir pressão estática suficiente para vencer todas as perdas ao longo do caminho crítico, o percurso de maior resistência do ventilador até a saída de ar mais distante, mais a pressão estática externa de serpentinas, filtros e terminais. Essa pressão estática total é a que se usa para selecionar o ventilador, e é também o que fixa a classe de pressão do duto. Uma pressão estática de sistema maior empurra o trecho mais próximo do ventilador para uma classe de pressão mais alta, o que determina a construção SMACNA que a oficina executa: bitola mais pesada, reforço mais próximo, junta mais resistente e uma classe de vedação mais rigorosa. Se o duto for dimensionado de forma agressiva demais para economizar aço, a classe de pressão e a energia do ventilador podem subir mais do que o que se economizou. A decisão de dimensionamento e o custo de fabricação são duas pontas do mesmo cálculo.
A linguagem de especificação que você vai encontrar
A especificação mecânica costuma fixar o método de dimensionamento e um teto de velocidade ou de atrito, e não cada medida de duto: "Os dutos de insuflamento de baixa pressão devem ser dimensionados pelo método da perda de carga constante, com taxa de atrito não superior a 0,10 in. w.g. por 100 ft e velocidade no duto principal não superior a 1300 fpm em áreas ocupadas." Uma especificação VAV, por outro lado, diz: "Os dutos de alta pressão entre a unidade de tratamento de ar e os terminais VAV devem ser dimensionados por recuperação estática." Em qualquer caso, a especificação está definindo o equilíbrio entre tamanho do duto, ruído e energia do ventilador que o restante do projeto passa a seguir.
Perguntas frequentes
O que é a perda de carga em um duto?
É a pressão estática que o ar perde ao roçar na parede de um duto reto, expressa como taxa de atrito em in. w.g. por 100 ft (ou Pa/m). O ábaco de atrito relaciona vazão, diâmetro, velocidade e taxa de atrito, de modo que duas quaisquer dão as outras duas.
Qual é uma boa taxa de atrito para o projeto de dutos?
Em torno de 0,08 a 0,10 in. w.g. por 100 ft é um valor de projeto comum para a perda de carga constante, frequentemente 0,10 no insuflamento e 0,08 no retorno. É uma diretriz, não um limite normativo; a faixa razoável vai de cerca de 0,05 para duto silencioso e eficiente até cerca de 0,15 para duto mais compacto e mais barato, e o número adequado depende do projeto.
Quais são as velocidades de ar recomendadas em dutos de HVAC?
As velocidades recomendadas em dutos principais ficam em torno de 700 a 900 fpm em residências, 1000 a 1300 fpm em edifícios comerciais e 1200 a 1800 fpm em industriais. Os ramais têm velocidades menores. Uma regra prática dimensiona os ramais em cerca de 60 a 80 por cento e o trecho final em torno de 50 por cento da velocidade do duto principal. São diretrizes, e não norma.
Por que a velocidade no duto importa para o ruído?
Em um determinado duto, o atrito sobe com aproximadamente a velocidade ao quadrado e a potência do ventilador com a velocidade ao cubo, de modo que dobrar a vazão de ar dobra a velocidade, quadruplica aproximadamente o atrito e eleva a potência do ventilador em cerca de oito vezes. Uma velocidade maior também faz mais ruído de ar, por isso a velocidade é limitada para manter o nível de ruído NC ou RC nos espaços ocupados.
O duto redondo tem menos atrito que o retangular?
Sim. O duto redondo tem o menor perímetro para uma dada área, portanto o menor atrito com a parede e a menor perda entre todas as formas, e a diferença aumenta à medida que o duto retangular fica mais alongado. O diâmetro equivalente é a medida redonda que corresponde à vazão e ao atrito de um duto retangular.
