Whitepaper: Aquecimento de ar à prova de falhas

Desenvolvimento de um aquecedor de ar PTC com baixa queda de pressão para aquecimento de ar à prova de falhas em sistemas de climatização e ventilação

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O uso crescente de energia elétrica em aplicações de aquecimento de dutos de ar apresenta novos desafios para os fabricantes de sistemas de aquecimento elétrico, já que muitos clientes solicitam, por exemplo, designs que economizem espaço e soluções de baixa perda de pressão para os seus sistemas. Atualmente, os sistemas de aquecimento do tipo resistivo são comumente utilizados. Agora, a tecnologia de aquecimento PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) oferece uma alternativa nova e segura que combina alta eficiência com baixa perda de pressão.

As áreas de aplicação típicas dos aquecedores elétricos de ar de última geração são os sistemas de ventilação de nova geração para casas unifamiliares e multifamiliares. Além de serem seguros e silenciosos, baixas perdas de pressão e uma distribuição homogénea do calor são requisitos importantes que devem ser atendidos ao instalar essas unidades em dutos de ar e sistemas de ventilação. Uma comparação entre os sistemas de aquecimento mais comuns — aquecedores tubulares convencionais, aquecedores de ar com resistência com aletas PTC e aquecedores de bobina aberta — mostra que cada sistema tem as suas vantagens específicas:

Os aquecedores tubulares têm a vantagem de apresentarem baixas perdas de pressão e baixos níveis de ruído. No entanto, necessitam de proteção adequada para evitar riscos de incêndio em caso de falha. Dependendo das circunstâncias, pode ser difícil obter uma distribuição homogénea do calor.
Os aquecedores de ar PTC convencionais garantem uma distribuição homogénea do calor e uma elevada segurança de funcionamento devido ao efeito PTC. No entanto, se utilizados em aplicações de ventilação e em grandes sistemas com condutas de distribuição extensas, é necessário um bypass para compensar a maior perda de pressão no aquecedor de ar. Isto, por sua vez, leva a uma distribuição menos homogénea do calor, tornando este tipo de aquecedores inadequados para determinadas aplicações.
A tecnologia Open Coil tem a vantagem de apresentar baixas perdas de pressão e uma distribuição uniforme do calor. No entanto, também tem várias desvantagens: a necessidade de proteção elétrica por meio de controlos adicionais, o ajuste necessário às estruturas circundantes e as distâncias de segurança adequadas para evitar o sobreaquecimento em caso de falha. Qualquer uma das soluções de aquecimento de ar descritas acima pode ser a mais adequada para atender às necessidades de uma aplicação específica.

A DBK David & Baader GmbH, especialista em sistemas de aquecimento elétrico com sede em Ruelzheim, na região sul do Palatinado, na Alemanha, desenvolveu agora uma solução inovadora para atender aos exigentes requisitos da indústria de ar condicionado e ventilação: uma nova geração de aquecedores de ar com uma redução de até 50% na perda de pressão.

Aquecedores de ar PTC com baixa queda de pressão HRKK delta — Aquecedores de ar PTC com baixa queda de pressão

HRKK Delta

Saiba mais

Os maiores desafios no desenvolvimento desses sistemas são a estabilidade mecânica a longo prazo e o comportamento PTC. O efeito PTC já mencionado impede que um valor máximo de temperatura predefinido, por exemplo, 200 °C, seja excedido. Isso pode desempenhar um papel fundamental se a aprovação técnica dos sistemas de ventilação depender do cumprimento de elevados requisitos de segurança, como é o caso das aplicações ferroviárias. O efeito PTC é gerado por uma transformação de fase hexagonal do material base dopado titanato de bário, sobreposto por um efeito de interface, equivalente a uma barreira potencial, que pode ser predefinida entre 120 e 240 °C. A Figura 2 mostra uma curva PTC exemplar com uma temperatura máxima da superfície de 200 °C.

Na fase de desenvolvimento dos novos aquecedores de ar, foi necessário examinar vários fenómenos e encontrar novas soluções para os problemas. Os obstáculos técnicos que tiveram de ser superados foram, por exemplo, uma terceira onda harmónica elevada e variações na curva PTC sob cargas específicas. No final, porém, o design mecânico do elemento de aquecimento desempenha um papel decisivo na construção da unidade e na obtenção de uma estabilidade a longo prazo para os aquecedores de ar. Por meio de cálculos mecânicos e diversos testes de curto e longo prazo, a DBK conseguiu oferecer ao utilizador uma solução técnica ideal. O conceito inovador deste produto reside no design específico e nas técnicas de processamento especiais, em particular o processo de colagem patenteado, que até agora é utilizado exclusivamente na Europa para este tipo de aplicação.

“Um passo crucial no desenvolvimento de aquecedores de ar com aletas é o teste do duto de ar.”

Teste laboratorial | Instalação de condutas de ar

Valores de desempenho e velocidade do ar

Com a ajuda de testes em condutas de ar, é possível determinar os valores exatos de desempenho e perda de pressão para qualquer aplicação no campo. A conduta de ar tem um diâmetro de 30 cm e pode ser regulada em termos de temperatura, conforme necessário. Antes de iniciar quaisquer medições, a perda de pressão na conduta de ar, incluindo a palheta, é determinada a uma temperatura ambiente de 20 °C e deduzida nos testes subsequentes. O elemento de aquecimento utilizado é um módulo padrão com dimensões de 10 cm x 10 cm, equipado com PTCs com temperatura máxima de 240 °C. A potência térmica nesta configuração é de aproximadamente 950 watts com um volume de ar de 200 m³/h. Aqui, a vantagem óbvia do elemento de aquecimento torna-se evidente: devido ao efeito autorregulador dos PTCs, é possível obter uma potência térmica mais elevada com volumes de ar mais elevados. Ao aumentar, por exemplo, o volume de ar na configuração dada em 100 m³/h, a potência aumentará em aproximadamente 20%. Este efeito pode ser ainda reforçado reduzindo a temperatura do ar a ser aquecido. A 300 m³/h e uma temperatura do ar de -20 °C, a potência térmica aumenta mais 20 %, atingindo assim uma potência de aproximadamente 1380 Watts sem necessidade de controlos adicionais. A Figura 4 mostra os valores de potência medidos para diferentes volumes de ar.