Conceitos e Tipos de Ventilação em Máquinas Térmicas

1 MÁQUINAS TÉRMICAS VENTILAÇÃO Prof Leandro Dalla Zen PhD Ventilação Definição movimento controlado do ar Objetivos a conforto e eficiência humana b saúde e segurança humana c conservar em bom estado materiais e equipamentos pureza temperatura distribuição umidade Efeito do movimento do ar no conforto de uma pessoa aacelerar a perda de calor pôr convecção b auxiliar o corpo a dissipar o calor fornecido pôr condução na camada de ar superficial dapele c auxiliar a perda de calor pôr transpiração permitindo ao homem suportar temperaturas até certo ponto Tipos Geral Diluidora x Exaustora Geral Diluidora diminuir a concentração de contaminantes por diluição renovação de ar Índice de renovação de ar i número de vezes por hora que o ar de um ambiente dever ser renovado i volume de ar volume do ambiente Ração de ar Rar volume de ar horário recomendado por pessoa em função daatividade Ventilação Exaustora Retirar o poluente onde o mesmo é formado coifas captores etc Transporte pneumático ar como meio de transporte dos contaminantes dimensionamento de captores dutos sistemas de abatimento filtros ciclones filtro de mangas precipitadores eletrostáticos ventiladoresetc Geral Diluidora Natural Artificial Natural escoamento pela diferença de densidade pressão entre ar quente gases e ar frio o ar sempre escoa naturalmente de um ponto de maior pressão para um de menorpressão diferença de pressão provocada pelo efeito vento pelo efeito chaminé temperatura ou por efeito combinado de ambos ideal para projetos de prédios industriais onde podese prever saídas superiores ideal utilizar também para iluminação com pé direito elevado principal estratégia para arquitetura sustentável faixa de utilização temperaturas externas até 32O C 29 para Porto Alegre ventilação natural pode ser utilizada para conforto térmico ambiental em 19 do tempo de desconforto para verão total 22 Ventilação Artificial Definição Escoamento do ar provocado pela adição de trabalho energia via ventilador compressor insuflação o ventilador esta situado antes do ambiente exaustão o ventilador esta situado após o ambiente mista um ventilador antes e outro após o ambiente Objetivos Conforto ambiental Componentes dutos insuflamento retorno dear filtros casa de máquinas tratamento do ar aquecimento refrigeração umidificação desumidificação Base teórica equação da conservação da massa continuidade Massa que entra Massa que sai regime permanente em um volume de controle equação da conservação da energia Energia que entra Energia que sai regime permanente em um volume de controle Ventilação Artificial equação da conservação da massa M ρe Ve Ae ρs VsAs kgs M descarga mássica vazão mássica dm dt Ve Ae VsAs m3 s Q vazão M Q x ρ cálculo de velocidades e áreas dedutos equação da conservação da energia tipos de energia energia armazenada associada a massa Ec m V2 2 Ep m g h Ei m H P energia cinética energiapotencial energia interna H entalpia volume específico 1 ρ m3 kg Q T W x calor trabalhomecânico energia de transição Ventilação Artificial Equação da conservação da energia aplicada a um volume de controle Ve 2 2 ge he He Pee me d Q d t d W d t Vs 2 2 ge hs Hs Pes ms para escoamentos sem adição de calor d Q d t 0 He Hs d W d t d Q d t potência Watts me ms dm dt Ve 2 2 ge he Pee me d W d t Vs 2 2 ge hs Pes ms dividindose todos os termos acima por dm d t obtemse Ve 2 2 ge he Pee d W d m Vs 2 2 ge hs Pes onde d W d m Energia por unidade de massa me se significa adição de energia a um escoamento ventiladores bombas ecompressores significa retirada de energia de um escoamento turbinas Potência Pot d W d m x ρ V A Watts Ventilação Artificial Equação da conservação da energia aplicada a um volume de controle Pot d W d m x ρ V A Watts CÁLCULO DA POTÊNCIA NECESSÁRIA VENTILADOR bomba ou compressor onde d W d m Es Ee ρ V A dmdt M kgs para ventiladores Ve 2 2 Pee d W d m Vs 2 2 Pss ou d W d m Vs 2 2 Pss Ve 2 2 Pee Vs 2 2 Ve2 2 Pss Pee d W d m Vs 2 2 Ve2 2 Ps s Pe e onde massa específica do ar na temperatura de operação kgm3 Vs 2 2 Ve2 2 pressão cinética Ps s Pe e pressãoestática Ventilação Artificial EQUAÇÂO DE BERNOULLI Equação da conservação da energia modificada regime permanente sem adição ou retirada de calor ou trabalho incompressível Ve 2 2 ge he Pe e Vs 2 2 gs hs Ps s dividindo por g Ve 2 2g he Pe eg Vs 2 2g hs Ps sg Ve 2 2g he Pe e Vs 2 2g hs PS s metros onde peso específico g N m3 V 2 2g h Pe CARGA DE VELOCIDADE CARGA DE ALTURA CARGA DE PRESSÃO perda de carga perda de energia devido ao atrito Ve 2 2g he Pe e Vs 2 2g hs Pe s hf 12 metros onde hf 12 perda de carga entre os pontos 1 e 2 de um trecho de tubulação Ventilação Artificial EQUAÇÂO DE BERNOULLI Ve 2 2g he Pe e Vs 2 2g hs PS s hf 12 metros importância para determinar a potência de um ventilador aplicação em instrumentação de medidas de vazões de gases Venturi Placa de orifício Tubo de Pitot potência do ventilador Pot hf 12 Q Watts ventilador onde peso específico do ar Nm3 Q vazão m3 s ventilador rendimento do ventilador 06 a 08 hf 12 perda de carga no trecho m Ventilação Artificial EQUAÇÂO DE BERNOULLI potência do ventilador Pot hf 12 Q Watts ventilador onde hf 12 perda de carga em metros de coluna dágua ou Pot hf 12 Q kiloWatts kW ventilador onde hf 12 perda de carga em mmCA milimetros de coluna dágua para linhas com acessórios sistemas adicionais ventilador lonas filtros etc hf 12 008 010 mm m hf 065 08 mm m3 Pot hf 12 hf g Q Watts ventilador dados adaptados por LDZ para cálculos preliminares recomendados valores máximos Medidas de Vazões Medição por pressão diferencial MANÔMETRO U Equação de Bernoulli Placa de Orifício Tubo Venturi Bocal de Vazão Orifício Integral Tubo Pitot Medição por área variável Rotâmetros Medição através de velocidade Turbina Anemômetros Medição por tensão induzida ou temperatura Medidor Magnético Anenômetro de Fio Quente Medição através de vórtices Medidor Vortex Medidores Mássicos Efeito Coriolis Efeito Dispersão Térmica Medição por Ultrasom Efeito Doppler Por tempo de transito Medição em canais abertos Calha Parschall Vertedores Medição por deslocamento positivo Disco nutante Pistão oscilante Medidor rotativo Medidas de Vazões TUBO DE PITOT Pressâo Total Pressão Dinâmica Pressão Estática P0 Pressãototal P1 Pressão estática para Vo 0ptoestagnação V 2g P0 P1 como o tubo de Pitot indica Po P1 Pd h m V 2g h m ONDE h desnível do manômetro U metros m peso específico do liquidomanométrico peso específico do fluido N m3 Pdin Ptotal Pest PRESSÃO VACUO Medidas de Vazões 05 Um SEM gememdv foi contratado para utilizando somente um tubo de Pitot e um manômetro U determinar a vazão de gases que escoam por uma tubulação com 20 cm de diâmetro que transporta gases a um temperatura de 120o C A altura de fluido manométrico densidade relativa 13 no manômetro U é de 2 cm o gases 14 kg Nm3 T o x 273 T T Kelvin 14 120 273 V 2 x 10 x 002 x 13000 97 97 Medidas de Vazões VENTURI Consiste basicamente na aplicação da equação de Bernoulli em um conduto préviamente projetado para tal com relações de áreas A1 e A2 conhecidas Usase o manômetro U para medir a diferença de pressões entre os dois pontos Muito usado em sistemas de ventilação industrial e equipamentos fornalhas caldeiras fornos etc que exijam volumes elevados de ar para he hs Ve 2 2g Pe e Vs 2 2g PS s Pe PS 2 g Vs 2 Ve 2 h m como Vs Ae As Ve então Pe PS 2 g ve2 Pe PS 2g Ae As 2 1 ve 2gh Ae As 2 1 Medidas de Vazões VENTURI para gases e ar Pe PS h m mas como m podese considerar m m Pe PS h m ve 2g m h Ae As2 1 onde Ve velocidade do gás no conduto ve 2g m h Ae As2 1 onde Ve velocidade do gás no conduto Medidas de Vazões 05 Em um processo industrial o controle de segurança de renovação de ar é bastante rígido em função do tipo de contaminante opera com vazões de ar que vão de um mínimo de 50000 até um máximo de 120000 m3 hora Para controle ideal do processo foi contratado um SEM eadMT que projetou um sistema tipo venturi a ser instalado na linha cujo diâmetro é 112 m diâmetro 1 diâmetro de entrada cfe figura e para isso instalou um cone de redução na linha cujo diâmetro da garganta permita uma velocidade com um valor 155 a velocidade da linha O ar que escoa na tubulação encontrase a 40o C e o fluído do manômetro U tem um peso específico 130000 Nm3 Determinar quais as alturas desse fluído poderiam ser utilizadas para controle das vazões mínimas e máximas Vg155 Vlinha Tar 40 graus Rho do ar 353 273 40 112 kgm3 Gama 112 Nm3 Gama Rho x 10 CALCULAR AS VELOCIDADES NO CONDUTO PARA VAZÕES MÁXIMAS E MÍNIMAS V Q A M3SM2 VAZÃO MÍNIMA 50000 M3H 139 M3S Vmin 141 ms VAZÃO MÁXIMA 120000 M3H 333 M3S Vmáx 339 ms Calcular Área 2 garganta Vg 155 V1 d 112m Vg 155 V1 Vgmin 2164 ms A QmínVgmin 064 m2 Vg 155 Vq Vgmáx 5254 ms A QmáxVgmáz 064 m2 Medidas de Vazões Medidas de Vazões PLACA DE ORIFÍCIO Consiste basicamente na instalação de uma placa perfurada internamente ao conduto acoplada a um manômetro U para medida da perda de pressâo provocada pela placa Quanto maior a velocidade vazão maior a perda de pressão Calculase a vazão real aplicandose a equação abaixo QR C Ao 2g h m onde m C coeficiente de correção Ao área da entrada doorifício h desnível do manômetro peso específoco do liquido manométrico N m3 peso específico dofluido Efeito Venturi Medidas de Vazões PLACA DE ORIFÍCIO coeficiente de correção C ROTÂMETRO ULTRA SÔNICO VORTEX VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA VLE 25 Objetivo Proteção da saúde do trabalhador Capta os poluentes de uma fonte junto ao ponto de geração evitando que se espalhem no ar do recinto Exige quantidades menores de ar do que um sistema geral diluidor DUTOS Componentes de uma instalação VLE b a c d 27 Componentes de uma instalação VLE 28 aCaptor Ponto de entrada do contaminante a ser exaurido pelo sistema bSistema de dutos Componentes responsáveis pela condução do ar com o contaminante interligando os diversos componentes do sistema Componentes de uma instalação VLE 29 cVentilador Responsável pelo fornecimento da energia necessária para a movimentação dos gases fornece um diferencial de pressão entre o captor e a saída do sistema dColetor Responsável pela retenção dos poluentes impedindo seu lançamento na atmosfera VLE Sistemas Centrais 30 Sistemas Centrais de VLE Diversos captores que atendem diversos pontos de geração de contaminantes são conectados por meio de dutos a uma única unidade exaustora São fixos de grande porte possuem pequena flexibilidade de operação e para alterações de arranjo físico VLE Coletores Unitários 31 Coletores unitários Possuem pequeno porte e boa mobilidade Podem atender a mais de uma fonte de geração CAPTORES Tipos fenda fenda flangeada abertura abertura flangeada cabine coifa enclausuramento Coeficiente de Entrada Ke Vazão Real Vazão Teórica Perda de carga P K x diâmetro equivalente metros 32 Classificação dos CAPTORES Captor Enclausurante A fonte é enclausurada em uma peça fechada em todos os lados com pequenas aberturas para entrada do ar Fonte 33 Classificação dos CAPTORES Cabine A fonte é enclausurada em uma peça fechada uma das faces abertas Fonte 34 Classificação dos CAPTORES Captor externo É um dispositivo de captação que não envolve a fonte Deve ser utilizado quando não for possível adotar os tipos anteriores 35 Classificação dos CAPTORES Captor receptor Quando o captor aproveita a velocidade de geração do contaminante 36 CAPTORES 37 Velocidades de captura recomendadas Fonte Hemeon Movimentação do ar no espaço Baixo fator de segu rança poeiras tóxi cas ou nãotóxicas a baixas taxas de emissão Alto fator de segu rança poeiras tóxi cas ou nãotóxicas a altas taxas de emissão Velocidades de captura ms Velocidades de captura ms Muito fraca 020 025 025 030 Moderada 025 030 030 036 Muito forte 036 041 038 051 CAPTORES 38 Velocidades de captura recomendadas Fonte Alden e Kane Condição de dispersão do contaminante Exemplos Velocidade de captura ms Gerado com velocidade nula em ar calmo Evaporação em tanques remoção de graxas etc 025 050 Lançado com velocidade moderada em ar com movimento moderado Cabines de pintura soldagem chapeamento etc 05 10 Geração ativa em zonas de ar com movimento moderado Pintura com pistola em cabines baixas esmagadores etc 10 25 Lançado com alta velocidade inicial em zonas de ar com movimento intenso Moinhos desbastamento abrasivo tombamento 25 100 SISTEMA DE DUTOS 39 Como o ar deve transportar o contaminante as velocidades devem ser compatíveis com os tipos de contaminantes presentes no escoamento As velocidades são relativamente altas o escoamento é tratado como incompressível e as perdas de carga são calculadas não se levando em conta a presença dos contaminantes SISTEMA DE DUTOS 40 Velocidades recomendadas para o dimensionamento de dutos Contaminante Velocidades recomendadas ms Gases e vapores 5 a 6 Fumos 7 a 10 Poeira fina 10 a 13 Poeira média 18 a 20 Poeira grossa 20 a 23 Partículas grandes 23 Materiais úmidos 23 PROJETO INDUSTRIAL APLICADO VENTILAÇÃO EM FRIGORÍFICOS Objetivos dimensionar um sistema de ventilação para evitar a proliferação de covid19 em um frigorífico pavilhão de cortes com três linhas de processamento em uma área de 600 m2 30m x 20m e pé direito de 12m Dados vazão de ar por pessoa norma ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária VAR m3 pessoah 34 m3 NP 3 x 20 60 pessoas O ar será insuflado por cima por tubulações colocadas nos intervalos entre as linhas de processamento 41 O ar será retirado por um sistema de ventilação local exaustora VLE por captores tipo fenda no piso das linhas Dimensionar as tubulações de saída e os captores mantendo a velocidade de transporte recomendada 10 captores por linha de processamento 42 SISTEMA DE DUTOS 43 Espessuras recomendadas mm para as chapas de aço em função do diâmetro cm D cm A Contaminante nãoabrasivo serviço normal B Contaminante abrasivo concentração fraca serviço severo C Contaminante abrasivo concentração alta serviço muito severo 20 064 079 095 20 a 46 079 095 127 46 a 76 095 127 159 76 127 159 198 SISTEMA DE DUTOS 44 Balanceamento do sistema de dutos Um sistema de dutos de ventilação estará balanceado se o escoamento de ar em cada ramal for igual a vazão de projeto Pode ser feito por Balanceamento com registros Balanceamento pelo cálculo ou estático SISTEMA DE DUTOS 45 Balanceamento do sistema de dutos Balanceamento com registros Os dutos são dimensionados pela arbitragem de velocidades usandose a velocidade recomendada para o tipo de poluente O balanceamento é obtido através da regulagem de registros instalados em cada ramal até que a vazão desejada seja obtida SISTEMA DE DUTOS 46 Balanceamento com registros Vantagens Facilidade de projeto Flexibilidade para modificações Desvantagens A vazão de projeto pode ser alterada pelo trabalhador O ajuste do sistema é trabalhoso Ocorrência de abrasão nos registros Possibilidade de entupimento SISTEMA DE DUTOS 47 Balanceamento estático As vazões são determinadas para cada ramal em função do ajuste da perda de carga do mesmo Estabelecer os diâmetros por arbitragem da velocidade Calcular a perda de carga para cada ramal Comparar as perdas de carga de cada ramal que chega a um mesmo nó com a maior perda de carga para este nó determinandose a diferença percentual ΔPmaior ΔPramal x 100 ΔPmaior SISTEMA DE DUTOS Balanceamento estático Alterar o diâmetro do ramal ou introduzir uma perda de carga localizada por exemplo através da inserção de um cone de equilíbrio quando houver diferença superior a 20 Aumentar a vazão quando a diferença na perda de carga se situar entre 5 e 20 A vazão corrigida dever ser igual Se a diferença na perda de carga for menor do que 5 consideramos o sistema balanceado 48 SISTEMA DE DUTOS 49 Balanceamento estático Vantagens O elemento humano não poderá alterar com facilidade a vazão em cada ramal Menor possibilidade de entupimento Desvantagens Maior dificuldade no desenvolvimento do projeto Pouca flexibilidade para alteração de vazões Natureza das medições 50 1 Relacionadas à monitoração dos contaminantes São as medições da concentração de contaminantes na descarga para a atmosfera dos sistemas de ventilação no interior do ambiente ventilado ou nas vizinhanças de uma instalação industrial 2 Relacionadas à obtenção de informações relativas ao escoamento do ar Ligadas à engenharia de ventilação são Medições da velocidade do ar Medições da vazão de ar em dutos captores e equipamentos Medições das pressões de escoamento ou da queda de pressão através de equipamentos ou dutos Medições em ventilação industrial 51 3 Para implantação de planos de manutenção Para definirse o padrão de funcionamento do equipamento Eventuais distorções como servirão de alerta para realização de manutenções com o intuito de restabelecer o padrão de funcionamento Medição da velocidade do escoamento 52 Tubo de PitotPrandtl Dispositivo para medição da princípio total e a pressão velocidade local de um escoamentoTem como de funcionamento a contraposição da pressão estática de escoamento Velômetro Baseado na deflexão de uma pequena lâmina dentro do aparelhoprovocada pelo escoamento Medição da velocidade do escoamento 53 Termoanemômetro Baseado na alteração da resistência elétrica em uma sonda provocada pela variação quando exposta de temperatura decorrente da troca de calor a um escoamento de ar Anemômetro de pás Destinado a medir a velocidade média de um escoamento de ar junto à entrada de captores bocas de insuflamento etc Visualização de escoamentos 54 Lâmpada de pó Utilizada para identificação de partículas menores do que 25 microns Gerador de névoa Consiste na geração de névoa a partir de reações químicas Normalmente utilizado onde o percurso do contaminante for curto verificação da distribuição da velocidade em bocas de sucção Visualização de escoamentos 55 Gerador de fumaça O elemento identificador é normalmente gerado a partir da combustão de substâncias que geram uma nuvem de fumaça colorida movimentação ar e o lanternim em Utilizado por exemplo para monitorar a de ar entre uma abertura de entrada de pavilhões industriais Bolhas de sabão Os elementos identificadores são bolhas de sabão de pequeno diâmetro infladas com gás hélio Utilizada para visualização de longos percursos do contaminante como o gerador de fumaça AVALIAÇÃO DE PARTICULADO 56 Material particulado contaminado é todo aquele aerossol que se encontra em suspensão no ar e que pode ser nocivo à saúde Podem ser classificados de acordo com sua formação como Sólidos poeiras fibras e fumos Líquidos Névoas e neblinas AVALIAÇÃO DE POEIRAS 57 Quanto ao tamanho da partícula Tipo de particulado Tamanho aproximado µ Sedimentável 10 D 150 Inalável D 10 Respirável D 5 Visível D 40 AVALIAÇÃO DE POEIRAS 58 Quanto ao tamanho da partícula As partículas mais perigosas são as inaláveis e as respiráveis O tempo de permanência dos aerodispersóides no ar depende de Tamanho Peso específico Velocidade de movimentação do ar Ventilação Exaustora Retirar o poluente onde o mesmo é formado coifas captores etc Transporte pneumático ar como meio de transporte dos contaminantes dimensionamento de captores dutos sistemas de aabtimento filtros ciclones filtro de mangas precipitadores eletrostáticos ventiladoresetc Geral Diluidora Natural Artificial Natural escoamento pela diferença de densidade pressão entre ar quente gases e ar frio o ar sempre escoa naturalmente de um ponto de maior pressão para um de menorpressão diferença de pressão provocada pelo efeito vento pelo efeito chaminé temperatura ou por efeito combinado de ambos ideal para projetos de prédios industriais onde podese prever saídas superiores ideal utilizar também para iluminação com pé direito elevado principal estratégia para arquitetura sustentável faixa de utilização temperaturas externas até 32O C 29 para Porto Alegre ventilação natural pode ser utilizada para conforto térmico ambiental em 19 do tempo de desconforto para verão total 22 Ventilação Natural a Vazão de ar devida ao vento as aberturas devem estar voltadas para o lado dos ventos predominantes as saídas de ar devem ser colocadas em regiões de baixa pressão paredes laterais à fachada que recebe a ação dos ventos parede oposta àquela que recebe a ação dos ventos lanternins e clarabóias ventiladas colocadas em locais dos telhados e coberturas onde a pressão é mais baixa Qv Ea Am V 1 Fc 100 Qv vazão de ar em m3s Ea efetividade da abertura entre 05 e 06 para ventos perpendiculares e entre 025 e 035 para ventos diagonais Am menor somatório das áreas livres entre os ladosm2 AM maior somatório de áreas livres entre os lados V velocidade média sazonal do local ms Fc fator de correção função da relação de áreas Ventilação Natural Ventilação Natural Ventilação Natural b Vazão de ar devida à diferença de temperaturas Qt 01784 Am Ea H TrTe05 onde Qt vazão de ar devida à diferença de temperatura m3s Eaefetividade das aberturas superiores 050 para aberturas verticais e 065 para aberturas horizontais Tr temperatura recintoem Te temperatura externa em oC oC H distância vertical entre aberturas inferiores esuperiores c Vazão de ar devido ao efeito combinado entre vento e chaminé QT Qv Qt m3 s onde QT vazão total dear Qv vazão devida ao efeito dovento Qt vazão devida ao efeitochaminé devido a simultaneidade entre os efeitos devese fazer uma correção para achar a vazão de ar real QTR QTR Qt x onde fator de correção devido a participação do efeito chaminé Ventilação Natural Aberturas superiores verticais Ea050 Aberturas superiores horizontais Ea065 Ventilação Natural d Vazão de ar necessária para remoção de calor de um do ambiente A vazão de ventilação requerida para remover uma certa quantidade de ar de um recinto é calculada como abaixo QW CT 1200 Ti Te m3s onde CT carga térmica do recinto Watts Ti temperatura internado recinto o C Te temperatura externa oC e Projeto ideal QTR QW Obs 1 para sistemas de ventilação natural para remoção do calor interno a temperatura máxima de saída do ambiente deve ser no máximo 5o C acima da temperatura externa Obs 2 máxima carga térmica possível de ser retirada de um ambiente por ventilação Obs 3 carga térmica somatório de todos os calores gerados ou adicionados a um ambiente para conforto no verão retirar carga térmica refrigeração no inverno fornecer carga térmica calefação Ventilação Natural Estudo dirigidoVentilação natural em uma sala de aula Verificar a adequação retirada de calor e metabolismo das aberturas para ventilação natural das salas de aula tipo sala C05 105 do centro C Dados Área 96 m2 PD 3m Área de entrada parede sul 9 m2 Área de saída parede norte 3 m2 Velocidade do vento 2 ms Vento diagonal Ea 03 Distância vertical entre os pontos centrais das áreas H 14 m Tr 30º C temperatura do recinto temperatura em que o ar sai do ambiente Te 25º C temperatura externa