Em elevadores, o que é o efeito pistão?

O efeito pistão em um elevador de passageiros refere-se ao movimento do ar dentro do poço do elevador quando a cabine se desloca para cima ou para baixo. Esse movimento cria diferenças de pressão e fluxo de ar semelhantes ao funcionamento de um pistão em um cilindro.

Quando a cabine sobe, empurra o ar para cima, aumentando a pressão acima dela e reduzindo-a abaixo. O oposto ocorre quando desce, criando um aumento de pressão abaixo e uma redução acima.

Esse fenômeno é mais perceptível em elevadores de alta velocidade, onde o deslocamento rápido da cabine provoca variações significativas na pressão do ar. Essas variações podem afetar o conforto dos ocupantes, a eficiência energética do sistema de ventilação e a segurança estrutural do edifício. Para mitigar seus efeitos, sistemas de ventilação e descompressão são projetados.

 NORMAS APLICÁVEIS

Diferentes normas regulam a ventilação de poços de elevadores:

• EN 81-20: Mínimo de 1% da área da seção transversal do poço.
• ABNT NBR 16858-1: Recomenda presença de aberturas, sem percentual definido.
• ASME A17.1/CSA B44: Ventilação de 3,5% da área da cabine.
• ISO 8100-1/2: Ventilação da cabine deve corresponder a 1% da seção transversal do poço.

CÁLCULO DO EFEITO PISTÃO

O cálculo do efeito pistão em um elevador envolve a análise do movimento do ar no poço, considerando a velocidade da cabine, a área do poço, as dimensões da cabine e as propriedades do ar (densidade e viscosidade). Os principais passos são:

1. Velocidade da Cabine (V=m/s): Quanto maior a velocidade, maior o deslocamento do ar e a variação de pressão.
2. Área da Seção Transversal do Poço (A=m²): Determina o volume de ar deslocado pela cabine, sendo calculada por:

A= LxW

Onde:

1. • L = largura do poço (m)
   • W = profundidade do poço (m)
2. Vazão do Ar (Q= m³/s): Determinada pelo produto da área do poço e a velocidade da cabine:

Q= A x V

Onde:

1. • Q = vazão volumétrica (m³/s)
2. Cálculo da Variação de Pressão (ΔP): Usando a equação de Bernoulli e a fórmula de perda de carga:

ΔP= 1/2×ρ×V²×Cf

Onde:

1. • ρ = densidade do ar (kg/m³)
   • V = velocidade do ar relativa à cabine (m/s)
   • Cf = coeficiente de perda de carga, dependente da rugosidade do poço.

O coeficiente de perda de carga (Cf) depende da rugosidade do poço, da geometria e da presença de obstáculos no fluxo de ar. Para poços de elevadores, alguns valores médios de Cf​ utilizados na prática são:

Poços lisos e bem vedados: Cf ≈ 0,1 a 0,2

Poços com pequenas descontinuidades (exemplo: portas de pavimento e cabos):     Cf ≈ 0,2 a 0,4

Poços com muitas irregularidades e obstruções (exemplo: dutos auxiliares, equipamentos instalados no poço): Cf ≈ 0,4 a 0,6

1. Considerações de Compressibilidade: Em elevadores de alta velocidade, pode ser necessário considerar a compressibilidade do ar e usar equações de estado para ajustes mais precisos.
2. Simulações Computacionais: Modelagens por CFD (Computational Fluid Dynamics) são frequentemente usadas para prever variações de pressão e comportamento do fluxo de ar.

EXEMPLO PRÁTICO

Calcular as aberturas na caixa de corrida para minimizar o efeito pistão com os seguintes dados:

• Dimensões do poço: L= 2,24m x W= 2,05m
• Dimensões da cabine: L= 1,85m x W=1,55m
• Velocidade do elevador: 4m/s
• Percurso: 40m

 Cálculos:

1. Área da seção transversal do poço: Apoço= 2,24 x 2,05 = 4,592m²
2. Área da cabine: Acabine= 1,85 x 1,55 = 2,8675m²
3. Área livre ao redor da cabine: Alivre= Apoço – Acabine

= 4,592 – 2,8675= 1,7245m²

1. Área de ventilação recomendada: Avent.= 0,03 x Alivre
   • = 0,03 x 1,7245 = 0,052m²
   • Assumindo 3% da área livre:
   • Ou seja, 520 cm² de abertura para ventilação.

Considerações sobre a Localização das Aberturas:

1. Abertura na laje da casa de máquinas:
   • Vantagens:
     • Pode proporcionar um fluxo de ar eficiente para aliviar a pressão na parte superior do poço.
     • Pode ser uma solução mais fácil de implementar se já houver uma área com boa ventilação na casa de máquinas.
     • A abertura superior permite que o ar comprimido escape naturalmente para fora, aproveitando o fato de que o ar tende a subir.
   • Desvantagens:
     • O fluxo de ar pode não ser tão equilibrado se a pressão acumulada na parte inferior do poço for significativa, já que o ar precisaria percorrer toda a extensão do poço antes de ser liberado.
     • Pode haver necessidade de proteção adicional para evitar a entrada de sujeira, água da chuva ou outras intempéries, dependendo do projeto.

1. Aberturas laterais e inferiores no poço do elevador:
   • Vantagens:
     • A distribuição de aberturas ao longo da altura do poço, especialmente nas partes superior e inferior, pode proporcionar um equilíbrio mais uniforme na circulação de ar, minimizando as variações de pressão ao longo do percurso do elevador.
     • Facilita a equalização de pressão em diferentes níveis do poço, melhorando o conforto dos passageiros e reduzindo o risco de ruídos e vibrações indesejadas.
   • Desvantagens:
     • Pode ser mais difícil de implementar, dependendo do espaço disponível ao redor do poço e da necessidade de adaptar a estrutura do prédio.
     • As aberturas laterais podem necessitar de manutenção periódica para garantir que não estejam obstruídas.

 Considerações Técnicas:

1. • Desempenho do Sistema: A escolha entre abrir uma abertura na laje da casa de máquinas ou distribuir aberturas ao longo do poço dependerá do desempenho desejado do sistema de ventilação e da pressão do ar. Uma análise de dinâmica dos fluidos (CFD) pode ajudar a identificar qual opção proporcionará melhor circulação de ar.
   • Normas Locais: É importante verificar as normas locais para ventilação de poços de elevador e casa de máquinas. Algumas normas podem especificar a necessidade de ventilação direta em diferentes partes do poço, enquanto outras podem ser mais flexíveis.
   • Proteção das Aberturas: Independente da escolha, as aberturas precisam ser protegidas para evitar a entrada de elementos externos, como água e detritos, especialmente em áreas superiores.
   • Recomendação:
   • Se a casa de máquinas já possui uma ventilação adequada e uma abertura na laje for possível, pode ser uma boa solução para aliviar a pressão na parte superior. No entanto, para um controle mais balanceado do efeito pistão ao longo de todo o percurso do elevador, é geralmente mais eficiente ter algumas aberturas nas partes superior e inferior da caixa de corrida, combinadas com a ventilação na casa de máquinas.
   • Essa abordagem pode ajudar a manter um fluxo de ar constante e equilibrado, melhorando o conforto dos passageiros e reduzindo os problemas de ruído e vibração causados pelo efeito pistão. Em resumo, uma combinação de ambas as abordagens pode oferecer a melhor solução, dependendo das características específicas do projeto e das condições estruturais do prédio.

Considerações Finais:

• Todas as normas enfatizam a importância da ventilação adequada para a segurança e o conforto dos passageiros, mas variam nos detalhes da aplicação.
• A ventilação do poço é crucial para evitar o acúmulo de calor e garantir a circulação de ar, especialmente em elevadores de alta velocidade e prédios altos, onde o efeito pistão pode ser mais acentuado.
• Recomenda-se sempre consultar a norma específica aplicável ao local do projeto e, se necessário, realizar simulações para verificar a eficácia das aberturas de ventilação propostas.

SOBRE O AUTOR

Eliseu S. Pereira é Engenheiro Mecânico, pós-graduado em Engenharia de Segurança do Trabalho, com mais de 40 anos de experiência em projetos, fabricação, instalação e manutenção de elevadores de passageiros e carga, plataformas de acessibilidade, escadas e esteiras rolantes. Atualmente, atua como consultor técnico para diversas empresas do setor de elevadores.