Baixe CLEZAR e NOGUEIRA - Ventilação Industrial e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
SÉRIE DIDÁTICA 'lagens aéreas s - seqüendals e paralelos 311mentos congênitas discurso do Eslado à prática do ia prático para desenhos em 20 ia prático para desenhos em 20 !Senhando em 20 1 prático para desenhos em 20 i prático para desenhos em 30 de coletividades e de íorça em circuitos elétricos ear com Derive precisa saber nlação, comunicação e dos espaciais ctos fundamenÍais para 1 Universal - CDU naria estrutural ânico físico de bacias hidrográficas ? fotogrametria e sua utilização prática cálculo de campos ra Engenharia: estática e enfoque voltado à Informática olos com LDTQSllSO Ciências Sociais ências Agrárias e Biológicas :... perimentação l Il als ografla mias hidráulicos Latim mas dinâmicos lineares o Português do Brasil lnteligenda Artificial Inteligência Artificial : ferramentas e teorias Introdução à Engenharia Introdução à Engenharia: conceitos, ferramentas e comportamentos Introdução à Física Nuclear e de Partículas Bementares Introdução à Matemática Introdução à Química Inorgânica Experimental Introdução à Teoria dos Grafos Introdução à Topologia Geral Introdução ao Laboratório de Física Latim para o português - gramática, língua e literatura Le Français Parlé , pratique de la prononclation du Français Macroescultura dental Manual básico de Desenho Técnico MapleV Matemática - 100 exercícios de grupos Matemática Rnanceira através da HP-12C Matrizes e sistemas de equações lineares Microbiologia- manual de aulas práticas Monitoramento global integrado de propriedades rurais Natação: ensine a nadar Noções básicas de Geometria Descritiva O papel da escola na construção de uma socieclacle democrática Óleos e gorduras vegetais - processamento e análise Principias de combustão aplicada Promenades - textes et exercises pour la classe de nançais Propriedades químicas e teolO!ógicas do amido de mandioca e do polvilho ai.edo Química Básica - teoria e experimentos Redação Redação oficial Redes de Petri Taguchi e a melhoria da qualidade: uma releitura aitica Teaching ln a dever way - tarefas comunicativas para professores de Ungua Inglesa do i • grau Temologia de grupo e organização da manufatura Teoria fundamental do motor de inclu<;ão Topografia contemporânea - Planimetria Transmissão de energia elétrica Unidades de informação: conceitos e competência Ventilação industrial
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Unrversldade Federal dos Vales do Jequ i ~nhonha e Mucuri
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commended Practice, o qual é uma referência internacional da área. A primeira edição deste manual é datad a de 1951 e tem sido atualizada. praticam ente, a cada dois anos. A freqüênc ia de sua ut ilização como fonte de informações práticas fez com que ganhasse a reputaç ão de ser "A Bíb li a" dos profissionais da área. Com relação às publicações em língua portuguesa, o número é ext remamente reduzido. destacando-se os li vros: Engenharia de l'entilação Industrial dos autores A. L. S. Mesquita. F. A. Guimarães e N. Ne fu ssi. c uja primeira edição é d atada de 1977, e ventilação Industrial e Controle da Poluição. de Archibald Jose ph :J\Iacintyre. cuja primeira edição é da tad a de 1990. Assim. as motivações principais pa ra a elaboração deste trabalho foram:
1- A necessidade de um tex to sem redundâncias do conteúdo vi sto em outr as di sc ~p l inas básicas: qu e agi li zasse sem grande pr ejuízo de uma fundamentação teórica adequada a aprese ntação cio conteúdo programát ico da d isciplina de Ventilação Industrial. pertinente ao currículo do Curso de Engenharia :'.\Ie cânica da Universidade Federal de Santa Catarina.
2- A escassez de pub licações em língua nacional sobr e o ass unto.
3- Acreditamos ainda que esta obra pode rá atender aos Engenheiros que dese- jam se iniciar nesta á rea tão impo r ta nte da Hig iene Ocupacional. bem como constit uir-se em uma opção de co nsulta aos Engenheiros e Técnicos que já atuam na área.
Gostaríamos de exte rnar nossos agradeceimentos à Eq ui pe de Revisores da Editora da UFSC. pela dedicação no trabal ho de re,·isão da 2ª Edição deste Li vro.
Os autores
Capítulo 1
Generalidades
A ventilação é um ramo do conhecimento tecnológico com aplicações em. pra- ticamen te. todas as at ividades humanas. Ela se aplica tanto nos processos produ- ti vos industriais co roo ta mbém nos processos de controle amb iental. No qu e tange ao controle de ambientes oc upados pelo homem, a vent il ação se ap li ca às questões de conforto e de seg urança. Por outro lado, não se pode de ixar de mencion ar a sua aplicação na agricult ura. na zootecnia, ou seja. em todas as atividades n as quais seja necessário um cer to controle da qualidade do ar.
Apesar da ab ra ngênc ia de em prego da ventilação. este livro dará uma ênfase maior à ventilação de processos industriais, se ndo, portanto , adequado como mate- rial de referência para os cursos de Engenharia Mecânica, que fr eq üentemente têm, em seu cur ríc ul o. a disciplina Ventilação Industrial. Isto n ão significa, entretanto , que o co nt eúdo ap rese nt ado n ão possa ser utilizado por estudantes e profissionais de outras á reas. Este capít ulo tem p or objetivo definir a ventilação industrial. apresentar su as ap li cações. bem como as diferentes maneiras de promovê-la.
1.1 C on ce it os fundam e ntai s
Ventil ar é trocar o ar de um recinto fechado. Esta troca. quando ocorre por meios naturais. é denominada uentilação natural P or out ro lado. quando é indu- z ida por equ ipamentos mecânicos, é denominada uentilação mecânica.
O objetivo fun dame ut al da ventilação é controlar a pureza cio ar. visando à segma n ça e ao bem-estar Císico cios trabalha dores.
A ucmtilaçiio industrial trata das aplicações da ventilação no setor industrial.
24 Ventilação Indu s trial
1.5 Observações importantes
O principal parâme tro de um projeto de , ·entilação indu st ri a l é a vazão de ar. Ela determina. prati ca mente, todas as dimensões da insta lação de , ·e nt il ação. Quando se quer vent il ar um a mbiente, torna-se necessário reti rar a mesma massa de ar que se pr etende introduzir nesse rec into: porLanlo. é imprescindíve l que sejam previstas aberturas de entrada e abert uras de saída com dimensões e posições adequadas. Na ve ntilação in dustrial, via de regra. o escoamento do ar pode ser cons id erado incompressível. No cá lc ul o da perda de carga no escoamento de ar conta minado, quando a relação entre a massa de contamin an te e a massa de ar é pequena. a presença do co ntaminante pode ser ignorada. Como na ventilação ind ustrial essa relação é
normalmente menor do que 1% 1 é pr ática usual adotar-se esta hipótese.
1.6 Exe mplos
Exemp lo 1.6.
Most rar que em ,·entilação industrial o escoamento do ar pode ser considerado, sem erro a pr edáve l, um escoament o incompressível. Solução :
DADOS: Vamos consider ar como dado uma condição extr ema de funcionamento. ou seja, variação máxima de pressão do ar em escoamento de -LOí , 75 mmH 2 0 1 ou seja. 4.000 P a.. Além disso será acei ta a hip ót ese de que es ta variação de pr essão se ja isoentrópica.
P = Patm = 101. 3 kPa.
DETER.\IITI\AR: a variação relativa da massa especí fi ca. RESOLUÇÃO: Eq uação básica:
da Eq. {1. 1) ac ima. obté m-se P = cte · p" diferenciando, res ul ta: dP = cte · k · p"- 1 dp
dividindo-se a Eq. (1.3) pela Eq. ( 1. 2). obté m-se:
dP dp
- =K.·- p p
( L.l)
(1.2)
(1.3)
( 1.-1)
G e ne ralid a d es 25
ou ainda, de uma ÍQrma a proximada, pode-se escreve r:
6.p 6.P
fi nalmente subst ituindo-se os dados na Eq. ( 1. 5) 1 resuJta:
6.p = ..i.o oo = o. 028
p 1, J X 101.
OBSERVAÇÃO: E ste exercício mos trn. para as condições s upostas. que a massa especí fi ca do ar varia muito pou co (2, 8%); vari ação perfei tamen te to lerável para as ap licações de engenharia. sendo port anto razoável a hipótese de escoamento incompressí ve l.
Ex e mp lo 1.6.
1Iostrar que. em ambientes ve nt il ados. os con tam ina ntes não são sujeitos a apreciáveis movimentos, para c im a ou para baixo. de,,,;do a sua própria densidade.
So lu ção:
DADOS: Pa ra esta demonstração, vamos conside rar o sol ve n te tetracloroetileno (0 2 Gl 4 ), cuja densidade relat iva ao ar é de 5, 7 e presente no ambi ente com uma con ce ntra ção de 10.000 ppm
dr c2C •• = 5, i d,.or = l
10 .000ppm = 1%
DETERl\rDrA..R: a densidade relativa da mist ura con tamin ante/ar. RESOL UÇ'.:i..O: Equação básica:
drmtstura = L (drcomponente X fração) i 1
\1.6)
OBSERVAÇ.Ã..O: S up ondo-se um ar bem mi st ur ado com o con ta min an t e. a dens i- dade impor tante no movimento é a densidade relativa da mist ura. Como a mesma resultou muito próxima da unidade, fi ca evid e nte o enunciado proposto.
26 Vent il ação I ndustr i al
Exemp lo 1.6.
l[ostrar que a umidade prese nte no ar (vapor d.água) a lter a muito pouco a sua massa específica.
So lu ção:
DADOS: Par a ilustra r. vamos cons id e rar ar sa turado a 25 º C e pressão a tmos fér ica normal.
T= Tar = 25 ºC
P s = P 80 t( 25 º C') = 3. I70P a
P = P atm = 101.300 Pa
DETERMIN AR: a relação ( Par seco - Par úm ido)/ Pa rseco RESOLUÇÃO: Equação básica:
p
p=-
R:r
l ) Det erminação da massa específi ca do ar seco:
Assim resul ta:
Pat m Par seco= R ar T
Pa rseco = 287 X 29 8. 15 = l.1 838 kg/ m
- De terminação da m assa específica do ar úmido:
A massa específica do ar úmido se rá a soma da m assa es pec ífi ca do ar seco, presente na mi s tura, com a massa específica do vapor d.água co nt ido na mesm a. Qu ando a umid ade está prese nte. cada componente e.xerce uma pressão parcia l. cuja soma é igual à pressão at mosfé ri ca. Então as massas espec ífi cas. do ar seco e do vapor dºágua, deverão ser ca lcul adas com as respecti vas pressões par cia is desses component es. Ass im resulta :
P parc1a/ do ar seco da mistura Parsecodam1 s tura = Ra r T
98.130 3
Par seco da mistura = 2 _?
_r x __. r 0^ =^ l.^ l-16^0 kg^ /m
P uapord'água =^ Ppa^ reiaR ·^ /^ do vaporT^ d'^ águll agua
G e neralidades
Puap or d'ó.gua = --=--=..J61. 523 _.^ l_T::-:OX 29. 15:-:;-::-::-^ =^ O.^0230 kg^ /^ m^^3
Parúmido = Parsecotlb mistura + P l!aporda água
P aru.^ nu 'd^ o =^ (1^ · 1-16^8 + O 1^ 0230)^ =^ 1. 1698^ kg^ / m^3
(Par seco - P arúmido) _ 1.1 83 - l. l^698 =O. 0118 ( 1.18%) P ar.seco^ -^ 1.1^838
OBSERVAÇAO: O cálculo aci rn a most ra que a va ri ação da massa especí fi ca do ar conside rand o-se a presença do vapor d. água, é des prezíve l. '
30
onde v = coe fi ciente de viscosidade cinem át ica, m 2 / s T =t empera tur a do ar , ºC
Ve nti l ação Industr ial
2.1.2 Volume es p ec ífi co e massa espec ífi ca do ar
O vo lume, V, ocupado por uma m assa. m. de ar pode ser est im ado pela e qu ação dos gases per fe itos: V = m· R ar ·T p (2.2) ~iddind o-se a e qu ação 2.2 pela massa, m. o bt é m- se o volume espec ífi co, u. O inverso do vo lu me espe cífi co é a massa es pecífi ca. expr essa por :
o nd e p = massa especí fi ca. kg/ m
p p=-- Rar T
P = pressão absolu ta do ar , Pa R ar = consta n te do ar = 287 k (^) ·gJ · n L ' T = te mp erat u ra abso luta do ar , J(
2.1.3 Visc os idad e absoluta
(2.3)
O_:_o e fi c i e~t e d ~ vi scosidade absolu ta pode ser obtido a pa rtir da equação de de fim çao da n scos1d ade cinemá tica. ut ili z and o-se os valores estimados com a cor- relação Eq. (2.1): μ =V p ( 2.J ) onde μ é o coe fici ente de viscosidade absolu ta. ex presso no sis tema inte rn acional (SI) de unidades por kg/ (m · s).
2.1.4 Cond iç!lo- padr ão do ar
C:o mo o dese mpe nho dos equipame nt os utilizados na ve nt il ação industria l é fun ç~o- do es t~do termodinâ mico do ar. é pr át ica us ual a prese nt á-lo p ara uma co n~ çao- p adr ao, definida pelos parâ m etros pressão e te mp era tura espec ifi cados abruxo:
- te mperat ura: 20 ºC e
- pressão at mosfé ri ca: 101. 3 kPa (^) ( ní, ·e l do mar ).
Como conseqüência, as equações 2. 1 e 2.3 fornecem:
- 'iscosidade cinemá tica: 1. 5 x 10 -5 m 2/ s e
- massa espec ífi ca: l. 2 kg / m 3.
R ev isão s uc int a de mecânica dos fluid os 31
2.2 Escoamento do ar
O escoamen to do ar pode ser confinado ou não .confinado. O primeiro refere- se ao escoame nto do ar em d utos e o segundo refere-se ao escoamen to do ar em grandes espaços. ta is como salas. galpões e escoamentos extern os às edificações. O escoamen to pode ai nda ser caracte ri zado por ap resen tar um co mp ortamento be m- ordenado. m m; men ta ndo-se em lâminas paralelas. se ndo chamado por este moti vo de escoamento l aminar. o u um compor ta mento desordenado. resultante de flutuações ra ndÔmi cas e macroscó pi cas de ve loc idade, sendo deno minado, neste caso. escoamento turbulento. Esta class ifi cação é car ac te rizada pelo parâ met ro adimens ional denominado número de Reynolds. lRe. defüúdo por:
ond e:
V-L
!Re = --
1.
V = ve locidade média do escoam en to e L = uma dimensão car ac terística da geom et ri a do escoame nt o.
(2.5)
P ar a os casos de escoam entos no in terior de du tos. a dimensão carac terística para o cálc ul o do núm ero de R eynolds é o diâmetro inte rno do dut o. P ara es- coame nt os no in te rior de du tos. se lRe fo r menor que 2.300. o escoam ento será laminar, e se !Re fo r maior qu e 4.000, o escoame nt o será turbulen to. Q uan do o valor de lRe estiver co mpr eendido entre estes dois limites. o escoame nto é caracte- rizado por ser b asta n t~ instá vel, podendo se compo rt ar como laminar ou to rn ar-se rep ent inamen te turbulen to. Para os casos de escoame nt os extern os. ou seja. escoame nt os não confinados. a dimensão carac te ríst ica p ara o cálculo do número de Reyno ld s é, na maioria d as vezes, um a dimensão do cor po imerso no escoame nto. Os valores qu e delimi- ta m as faixas de escoamen to lami nar , de trans ição e tur b ul e nt o. são fortemente depende nt es da geom etria do co rp o. Os esco amentos em ventilação industr ial são , em sua maioria. t urb ul entos.
2.3 Equação da continuidad e
Na ventilação in du st ria l. a quantidade mássica ou vo lumétrica de ar a se r movi- men tada é fr eqüente me nte co nd uz ida at ra,·és de um siste ma de du tos e abe rturas. cujas dimensões são obtidas com o a ux ili o da equação da conse rvação da massa. Por este princípio. o fitLxo de massa que escoa ao longo de um s iste ma de dutos sem ramais (Fig ura 2.l (a)) é constan te e po de ser represen tado ma tem at ic ame nte por:
J
p Vi dA = m = constan te .-!
Es ta equação ta mbém é conh ec id a por equação da conli nu idade, send o:
(2.6)
(^32) Ve ntil ação Indu str ial
Vi= m0Julu da velocidade a,x.i~! n:i. po:;i ção ··;·• n11 111a secão transversal
do escoamento. m / s; -
A = á..rea da seção onde oco rre a \·elocidade \ :. m 2 :
rh = ftu.-xo de m assakg / s.
Se p é cons tant e. usa ndo-se a definição de velocidade média,
.· =^111 Vid ~ A
. "1 _.i (2. 7)
a Eq. (2. 6) se reduz a: rii = p / :! = constante (^) (2 .8)
Esta equação pode ainda ser mod ifi cada p ara se obter a vazão vo lumétrica., Q, dada em m 3 / s. rii
Q = V A = - p = constante (?-· 9)
ou a inda consid era ndo-se duas po sições ao longo do escoamento:
Num sistema com ramais, como aq uele ap resen tado na Fig ur a 2. l(b ), a so ma d as vazões que chegam a um nó (ponto de jun ção) é igual à soma das vazões que sae m deste n ó.
V2A2= 02 V 3 A3= 0 3
t ~_..,.-----'-.
1 ____ j - - ~ .....__ .._ 1 ( ) /' .,.: , .L.. _ __:., I "/. /
Figura 2.1: Eq uação da cont.inuidade apUcada a du tos
(2. 11 )
R evis ão s ucin t a d e mecânica dos fluido s 33
2 .4 Conceito de pressão em um fluido
Um co rp o pode estar sujeito a três tipos de esforço: tração, com pressão e ciza- lh a.m e nto. Os flu idos não são capazes de resist ir a um esforço de tração; p ortanto , eles podem esta r s uje itos a apen as dois tipos de esforços, co mpressão e cizalha- mento. Os esforços de cizaillamento são os responsáveis pela ta xa de deformação no fluido, faze nd o com que as camadas neste des li zem uma sobre as outras. en- quanto qu e os esfor ços de compressão são responsáveis pe lo a um ento ou diminuição do vo lume oc u pado pelo fluido, permitindo caracteri zá-lo como co mpressível ou in- com pressível. O esforço de compressão por unidade de área em um fluido é uma grandeza den ominada pressão. e sua magnitude é ex pressa por N /m^2 , lb / in 2 ou psi. 1"o sis tema internacional de unidades, a pressão é ª"-pressa em Pascal (Pa) e é igual a 1 N/m 2. Apesar de o conceito de pressão envolve r o cocie nt e entre d uas grandezas est ri- tament e vetoriais, devido à propriedade denominada traço do tensor, m atemat ica- mente a pressão é um invaria nt e com o siste ma de coordenadas na qual é ex pressa. Isto compatib iliza o conceito de pressão termodinâ mica, q ue é uma evidência ex- perim ental, com a sua repr esentação matemática de fo rça por área unitá ri a.
2.5 Tipos de pressão do escoamento
Quando um fluido está em movimento, está associada a este a força de inércia. Esta força, dividida pôr uma ár ea unitária normal à direção do escoamento, r ep re- senta também um a pressão. Quan do este escoame nto é desacelerado por algum motivo, a par ece um esforço adicional. permitindo-se detect a r três tipos de pr essão no escoamen to. descritos a seguir:
- Pr essão estática. (Pe): é uma funç ão do estado termodinâmico do escoamento de ar e é exerc id a igualmente em todas as direções. Por isso. em alg tm s textos. também pod e se r caracteriza da como pr essão te rmod inàmica.
- Pressão de velocidade, (P,.): é associa da com a energia cin ét ica do escoa- mento de ar. Em razão da inércia do fluid o, é mui tas vezes denominada, também, pressão din âmica e é exercida apenas na direção do escoame nt o e expr essa em Pa. por : (2.12)
- Pressão t ot al. ( Pc ): é a so ma algébrica d as pressões estát i ca e de ve locidade. Ela res ulta da desacele ração do flui do a té o re pouso e é por este motivo também denominada pressão de estagna ção.
(2. 13 )
(^36) Ve ntilação Industrial
Em te mp os passados e até bem recen tes. era procedime nt o usual a deter- minação da perd a de car ga me diant e o uso de gráficos. ábacos e tabelas. Porém hoje, com o adve nto das calc ul ador as programáveis e do co mputador pessoal, as co rrelações detêm a pr eferência, uma vez qu e fornecem r es ultados bem mais preci- sos e ainda pod em ser iuseridas em algoritmos numéricos, para cálculos de vazões e perdas de carga em s istemas ramificados co mp lexos.
2. 7.2 Diâm etros equivalentes
A determin ação da perda de carga em duto de seção n ão circular é realizad a usand o-se o conceito de diâ me tro equivalente, Deq· Este concei to se baseia na det ermin ação do diâme tro de um d uto circular que a prese nt e uma força mé dia resis tente ao escoamento. igual à que aprese nt a o duto de seção qualquer. Assim. o duto c ir cular com diâmetro equivalente a uma seção retangular , por exemp lo. tem a mes ma pe rda de carga. por unidade d e comprimento, do duto retangular Fig ura 2.3.
Figura 2.3: Diâmet ro equivale nt e
Duas possibilidades se a presentam:
- Diâmetro equivale nt e para uma mesma ve locidade do escoame nto. Nes te caso o diâmetro equivale nt e é co nh ecido ta mbém como diâ metro hidrá ulico.
2·a· b D eq= --- a+b {2.20)
- Diâ metro equi vale nte p ara uma mes ma vazão do escoamento. Apesar de po uco difundido nos texto s de mecânica dos fluidos. é lar ga mente utili zado no âmbito d a ve ntilação indus tri al e ar condicionado.
D eq = [l. 3 ·(a· b)] (a+ b)º· (^2) (2.21)
Revisão sucinta de m ec ânica dos fluido s 37
2. 7.3 Perda de carga nos acessórios
Sempre que um escoamento mud a de dir eção, _passa atrav és de ex"Pansões ou contrações de seção, ou seja. sempre que houver descolame nt o da cam ada li- mite. oco rr er ão perdas de energia e. couse qüent emente. diminuição nas colun as de pressão do escoamento. produzindo assim as ch amad as perdas de ca rga nos acessórios. Essas perd as podem ser calculadas a partir da energia c inética do esco- am ento, a jusa nt e ou a montante do acessório. multipli ca ndo-a por um coeficiente obtido ex"Peri men talm ente. Assim,
v ó.P = fC. - ·p 2
(2.22)
onde fC é o coeficiente de p erda de carga do acessório. Igualando a perda de c ar ga de um acessório com aq uela a pres•· nt ada por um trecho r eto de du to. d e com prime nto L eq· obtém-se:
v2 L / 2 fC·-·p=f·......!:!l.. · - · p
2 D 2
{2.23)
Podemos. assim, de terminar qua l é o comprimento equivale nte de duto r eto que aprese nta a mes ma perda de ca r ga do acessó ri o:
fC Leq = - ·D
f
(2.2-!)
O comprimento ~s im definido toma o nome de comp1·imento equivalente do acessório. As tabe las a seguir. compil adas e a daptadas a partir do livro de MESQUITA. GUThfARÃES e NEFUSSI (1977) e da publicação do L ' Aspiration ... {1918}, for- necem informações com respeito aos coe fi cient es de perda de c arga e comprim e nt os equivalentes par a diver sos acessórios.
(^38) V ent il ação Indu st rial
Tabela 2.1: Perda de carga em reduções graduais
,.----,_.., =------' Ângulo _ .. ( G) ® 1
Angulo em graus ;:::;.^ = P 2-P 1).p. 1 (^5) 0, (^10) 0, (^15) 0. (^20) 0. (^25) 0. (^30) 0. (^45) 0. (^60) 0.
Tabela 2.2: Pe rda de carga em expansões graduais
JJ~ I.~)
Angulo em graus X:.=^ P .. I-Pl!>.P. 3 ,5 (^) 0, 5,0 (^) 0, 10,5 (^) 0, 4-l 15,0 (^) 0, 20,0 (^) 0, 25.0 (^) 0, 30.0 (^) 1, Mais de 30,0 (^) 1.
Tab.ela 2.3: Coeficientes de p erda para chapéus
h ~..:'
h/d fator (K.)
R ev isão s uc in ta de mecânica dos fl u idos 39
Tabela 2 .-l: Valores do coeficiente de perda par3: e ntrada de ramal secundário 2d (min.)
~ - t ~;_,~i -
Angulos em graus fator (X:.) 10 0. 15 0. 20 0, 25 0, 30 0. 35 0. -10 0.
- l5 0. 50 0. 60 0,-l-l 90 1.
Tabela 2.5: Perda de ca r ga em curvas
L/ d 0.25^ 0.5^1 2 3 -l
r/ d fator^ (K.)^ r/ d f^ atar^ (K.)
2.75 0.25 O.O * 1.50 1.32 1.15 1.()4^ 0.92 0,
2,50 0.2^ ..)^ 0.5 1.36 1.21 1.05 0.95 0. 8-l 0. 2.25 (^) 0.26 1,0 0.45 0.28 0.21 0.21 0.20 0. 2.00 0,27 1. 5 0.28 0,13 0,13 0.13 0. 12 0. 1.75 (^) 0.32 2.0 0,2-l 0,15 0, 11 0. 11 0,10 0. 1.50 0.39 3.0 0.2-1 0,15 0. 11 0.11 0.10 0. 1.25 0.55 *Co tovelo . Correção para anuulos diferentes deo 90° 120° X 1. 22 60º X 0. -15 º X Ü, 50 30º X 0 .3 3
Ventilação Indu strial
Tabela 2.9: Perda de carga em eq uipamentos de co ntro le
Equipamento Perda^ de^ carga^ (pol.H^2 0) Faixa encontrada (^) Faixa comum Câmara gravitacional 0.2 - 1.5 0.2 - 0. C icl one comum 0.5 - 2.5 LO - 2, Ciclone de alta eficiência (^) 2,0 - 6.0 -1.0 - 5. Multi ciclone (^) 2.0 - 6.0 4,0 - 5. Câmaras de impact ação (^) LO - -LO 1. 5 - 2, Preci pi tadores eletrostáticos 0.2 - LO 0.2 - (^) 0. Filtros de tecido (filtros de manga ) 3.0 - (^) 6.0 -1.0 - 5. Filtros compactados 0.2 - (^) 1.0 0.2 - (^) 1. Torr es de borrifo 0.2 - 2.0 0. 5 - 1. Torres de enchimento 2.0 - 10.0 2,0 - 8. Torres de prato 1.0 - 8,0 2,0 - 6, Lavadores auto-induzidos 0.2 - 8,0 2 .. 5 - 6, Lavadores ventúri 10.0 - 60.0 10.0 - -10 , Lavadores de disco (^) 10.0 - 60.0 10.0 - 40, LavadOPes de impactação (^) 1.5 - 8,0 (^) -LO - 6. Leitos de adsorção (^) 2.0 - 10.0 3.0 - 6. Incineradores d e chama direta 0.2 - 1.0 0.2 - 0. In cin era dor es cata líticos 1.0 - -1 .0 (^) 1,0 - -1,
Precipitadores sônicos 6,0 - 12,0 -
Precipitadores térmicos 0,1 - 1,0 0,2 - 0, Lavadores ciclônicos 2. 0 - 6,0 2.5 - 6, Lavadores tip o jet 1,0 - 6,0 1.0 - 3.
2.8 Vent il adores
Na rnntilação industrial. o fornecimento de energia necessári a para manter o escoame nt o do ar. freqüentemente é feito através de um uentilador. A seguir são ap resentados alguns parâmetros rela tivos ao funcionamento dos venti lado res. ass unto este qu e se rá vi s to com mais detalhes no capítulo 9.
- Vazão do ventilador (Q): vo lume de ar que p assa pe la saíd a do ventilador. por ut1idade d e tempo.
- Pressão total do ventilador ( PTV) : diferen ça en tre a pr essão total do ar na saída e na entrada do ve n tilador.
- Pressão estát ica do ventilador ( PEV ): diferença entre a PTV e a pressão de velocidade na saida do ventilador.
OBSERVAÇÃO: ...\ soma d e todas as perdas de carga de um sistema de duto s em série de ve ser igual à pressão total do ventilador (P'T'V).
R e vi são s ucint a d e m ecânica dos fluido s 43
2.9 Tipos de press~o
- Pressão estát ic a (P.,) : decresce ao longo de 1.im duto de seção constante e cresce nos aumentos de seção (recuperação de pressão).
- Pr essão de velocidade (P u): mantém-se co nstante em dutos de seção trans- ver sa l constante.
- Pressão total (Pt): decresce sempre ao longo do si stema de dutos. podendo au me ntar so mente qu ando hou ver supr im ento de ene rgia ao escoame nt o (a trav és do ventilador).
A planilha ap resentada a seguir é uma sugestão para a organiz ação dos dados e cálc ul os efetuados na determinação das perdas de carga e levantame nto dos perfis el e pressão de um escoamento em dutos.
Vent il ação Indust rial
instal a ção: obs.:^ pres^ são: cal c ulado por: temperatura : fl.: de densidad^ e:
Ponto
Q (^) D A V (^) Pv L (^) 6P / L IC 6P P, (^) P~ m->/s m m:t^ m/s Pa m P a/m Pa Pa P a
Figura 2...t: Planilha de cálculo para ventilação ind u st ri a l
R e visão s ucinta d e m ec âni ca d os f l uidos 45
2 .10 Exemplos
E xe mpl o 2.10. Considerando-se que os dutos utilizados em ventilação indu st ri al ra ramen te têm diâ m etros menores do q ue 10 cm e as veloc idades de escoamen to são normalm ente s up eriores a 5 m / s. determina r o regime de escoam ento predominante no interior des tes du tos.
Solução :
DADOS: Vamos sup or p ara o escoamento urn a temp erat u1· a de 50ºC.
d,.C:':I C l. 1 = Ó, 7
d,.or = 1
10. 000 ppm = 1 %
R (^) ar= (^9) - - ( (^) kgJ I '
P = Patm = 101. 3 kPa
T = 50ºC' = 323 /(
D = 10 cm = O. 1 m
," = 5m / s D ET ER~ITNA.R: o núm ero d e R eynolds, Re. para este escoamento. RESOLUÇÃO: Equações básicas:
1/ ==- ( 13 +o. 1. T) X 10-^6
p p=-- Rar T ~L=V·p !·D ~ e =- v
a) Dete rminação da massa específica do ar
p 10 1.300 3 p = Rar T = 2 7 · 323 = l. OO kg/ m
b) Determinação da 'iscosidade cin emát ica do ar
v S: (13 + 0. l · T) X 10- G = ( 13 + 0.1 · 50) X 10-^6 = 1 X 10-^6 m
2 / s
(2.3)
(2 ..t )
(2.5)
48 Vent^ il^ ação^ l
e) Determinação da perda de carga nos acessórios do duto
v 6 P(acess6rios) = (JCl.2 + JC5.6 + JC;- ,s) · 2 ·Par
( ) (^) ( 8,^49
2
6P(acess6riosJ = O, 49 +O , 27 + 1, O · - )^ -^.^.
2
f) Determinação da pressão tota l do ventilador
PTV = õ.P(trecbos retos) + õ.P(acessóriosj = 139, 46 Pa
OBSERVAÇÃO: O cálc ul o da perda de carga most ra a participação s dos acessórios ern um sistema de dutos (representando neste caso maia perda de carga total).
Capítulo 3
Contaminantes do ar
3.1 Int r odu çã o
Conside rando que os constituintes normais da atmosfera são:
- oxigênio,
- nitrogênio,
- dióxido de carbono,
- vapor d"água.
- traços de gases inertes.
- matéria sólida mi croscópica.
sob o ponto de vista da ve n tilação industrial, qualquer ou tra s ubstâ ncia no ar pode ser cha mada de co nta.mü1ante. Além destes, podemos considerar como co n tami- nante qualquer componente normal cuja concentração ultrapasse certos limites. Os co ntamin a ntes podem ter origem:
- em processos de manufatura (solda , corte, fundição etc.);
- nos tratame ntos superficia is (limpeza com solventes. pintura , jateamento. polim ento etc.);
- no transporte e transferência ele ma.te ria.is pa.rtic u.l ados (correias transpo rta- doras. enchimento de recipientes etc.).
50 V^ ent^ il^ ação^ Industr^ i^ al
- 2 C lass ifi cação d os c ont amin ant es
Visan do à. sjstematização do est udo dos contamina ntes do ar, torna-se ne- cessário adotar um a cl ass ifi cação p ara estes. Para a rnmilação industrial. é a pr e- sentada. a seguir. uma classificação que é baseada no estado físico dos contami- na ntes dis persos no ar.
- Gases: são s ub stânc ias no estado gasoso. em uma condição termodinâmica afastada do ponto de condensação (CO. C02. S02 etc.).
- Vapores: são s ubstânc ias no estado gasoso. em uma condição termodinâmica próxima do ponto de condensação (sol ve ntes diversos).
- Particulados: são siste mas di spe rsos, c uj as fases disper sas consistem de partículas sólidas ou liquidas. Qua ndo as pai·tículas possuem diâmetros m e- nores do que 100 μm, os pa rt icu1ados recebem a d esig nação especial de ae- rossol. Para se di stinguirem os diversos tipo s de aerossóis. são utilizados diversos term os. conforme segu e:
- Fumos: são pa rtíc ul as sólidas. com diâmetros infeii ores a 1 μm. R esul tam da co ndensação de vapor es de metais que sw·gem nos processos de fusão, solda e corte de metais.
- Poeir as: são partículas só li d as resul tantes da desintegração me câ nica de substâncias, com diâmetros com pr eendidos e ntre 1 e 100 μm.
- Fumaças: são aerossóis resultantes da combu stão incomple ta de m ate riais orgânicos.
-l. Névoas: são aerossóis const ituídos por pa rtículas liquidas. Re sul tam da condensação de vapor es ou da di spersão mecâ ni ca de líquidos.
- Organismos vivos: os mais comuns são o pó len das flores (5 a 100 μm ), os esporos de fungos (1 a 10 μ m) e as b ac térias (0.2 a 5 μm ).
3 .3 Limi tes d e t ole rân c ia
Na prática da ve nci.L ação industrial não existe a pretensão de se alcançar uma purificação total do ar. ru as a de se atingir um gra u de purnza. com base na concentração do contaminante no ar. que não ofereça ri scos à sa úde do trabalh ador. A norma r egul am entad ora da Consol id ação d as Leis Thabalhistas. NR-15. es- tabe lece. em seu Anexo nº 11, os limites de concentração to lerados para agentes químicos e. no Anexo uº 12. os Limi tes de to lerân cia p ara poeiras minerais. A ACGIH.. American Conference of Governmental Industrial Hygie ni sts (1995) publica. peiiodicamente, os chamados valores limites de tolerância ( tlireshold limit values - TLV). Existem dois critérios para os valores de TLV:
Co n tamin an t es do ar 51
- TLV - TWA (TLV - time weighted auerage): co ITesponde a concentrações ponderadas pe lo tempo. para uma jo rna da el e trabal ho de 8 h di ár ia e uma sema nal de 40 h. às quais os trabal had ores podem ser e:-..l)ostos repetida- mente. sem efei to adverso.
- TLV - STEL (TLV - short term e:i.:posm-e limit): é a concentração à qu al os trabalhadores podem ser expostos po r um tempo máximo de 15 min. Deve haver pe lo menos 60min e ntr e du as exposições sucessivas e não pod em ser rep et idas ma is de quatro exposições ao dia.
Os efeitos de difere nt es con tamin a nt es devem ser consid erados como a dit ivos, isto é, para que o limite de to lerância da mi st ura não seja ultrapassado. a desigualdade a seguir dever ser sa t is fe ita.
onde
~ + c2 +... + Cn < l
c11 c12 C/n -
Cn = co nc e ntrações das " n"s ubst ân cias presentes no ambiente e c11, C/2 , ..• C/n = conceptrações li mites d as " n "s ubstâ ncias prese ntes no ambie nte.
3.4 Mov im en t o d e partícu l as no ar
A coleta de par tíc ul as sólidas ou líqu idas em um equipamento de controle de poluição do ar está intima m en te ligada com a \·elocidade da partíc ul a no interior do fitLxo gasoso. Com o int uito de se e nt ender o mecanismo de captura da partícula. torna- se necessário relembrar os conceitos básicos que governam o compor tamento de urna par tícuJa inserida no escoame nto de fluido. Para que a partícula possa se r capturada. é necessári o qu e esta esteja suje ita a esforços exte rn os de magnitude suficiente p ara sepa rá-la do escoamento gasoso.
3.4.1 R es i stê n cia ao escoamen t o
Os tr ês tipos de esforços externos mais significativos a que estão sujeitas as par tícul as no interior de um escoame nt o são: a força gravitaciona l, a fo r ça de emptL-xo e a força de a rr as to. Estas três forças têm papel preponderante no me- canismo de captura. uma vez que elas dete rmina m a ve loc idade te rminal atingida pela partícula.
54 Ventilação^ l
onde:
μ = viscosidade a bso luta do ar. Pa. s: Par = pressão absoluta do ar. Pa: 1 U a r = massa molec ul ar do ar. kg / kmol: Tar = temperatura abso luta do ar. K.
Por ta nto. para partículas menores que 3 μm e regime la minar. o coe arrast.o deve ser calculado por :
Fórmula de Stokes
Pa ra pa níc ul as es féri cas de diâmetro dp , em regime laminar, ap li Eq. (3. 1). chega-se à co nhec ida fórmula de Stokes:
3.4.2 Velocidade te rminal
As o utr as du as for ças que at uam sobre uma partíc ula esfé ri ca. det a mag nitud e de sua ve locidade term inal de queda no ar , são a força p e. fo rça de Au t ua ção ou empuxo, FE -
ar
Figura 3.3: Forças que at u am sobre uma pa rtícula
A for ça peso é ex pressa por:
Fc = -^1 · -;r ·d^3 · Pp · g 6 p
onde Pp é a massa especí fi ca da par tíc ul a.
O empuxo é calcul ad o por:
1 3
FE = G· To • dp ·Par · 9
Contami n a nt es do ar (^55)
Assim. a atuação dessas duas fo rças em conjunto com a forç11 de arrasto.
F R = C'R · "~ · ~·Par· \ ' 2 (3.7)
permite se estabelecer a seguinte condição de equilíbr io na direção Yertical:
FR + FE - Fc = O (3. )
l" ma ~-ez at ing id a esta condição de equilíbrio. a ve locidade da partícula se torna constante. recebendo a denominação ve locidade terminal de queda. Substituindo- se as expressões para as forças a tuantes na equação de balanço ac ima , r esulta:
Vi=
'.'! dp g (Pp - Par)
3 C'R Par
(3.9)
Em regime laminar. subst ituindo-se o coeficiente de ar rasto na equação an te rior. resulta:
(3.10)
~o caso de o vetor velocida de não estar alinhado com a direção ve rtical, a Eq. (3. ) não re pr esenta mais uma condição de equilfürio, como mostrado no diagrama de forças da Figura 3.-1.
Direção
da partíc ula
Figura 3.-1: Aceleração dn partícula
:'-ies Le caso a partícula está se acelerando e a magnitude da aceleração é fornecida pela segunda le i de ):ewton:
dv PR +.FE +f'c dt - 11Lp l3.^11 )
V e nt i lação Industr ial
.5 Ex e mp l os
Exemplo 3.5.
Determine a veloc idade terminal para partículas com diâm etros de 50 μm e 50 μm. e m assa es pecifica de 2. 000 kg / m 3. As partíc ul as caem no ar a 20 ºC e
ressão atmos férica de 101. 3 kPa.
olução:
A.DOS: Os parâmetros físicos estabe lecidos acima para o ar correspondem àque les
a condição pa drã o.
ar = 1, 2 kg / m 3
lar= 1. 5 X 1 0-^5 m^2 /s p = 50μm e 1 50μm p = 2.000 kg/ m 3
= 9 ,8 1 m/s 2
ETERMINA R: a veloci dad e terminal. Yt- IBSOLUÇÃO:
3quações básicas:
Região 1 (lam inar) lRe < 2
Região II 2 <lRe < 500
Região ill l:Re > 500
±dp 9 (Pp - Par ) 3 CRPar
24 CR !Re 13 CR= ffe
CR ~ 0, 4-
l.) Cálculo da velocidade te rminal para a partícula de 50 μm.
((3.4))
f?aze ndo-se a hipótese de que a veloc idade terminal será at in gi d a no regime laminar. mtão CR = 2-l/':Re. S ubstit uindo-se CR na Eq. (3.9). obtém-se a Eq. (3. 10 ). ou ;eja:
. - (50 X lQ-6)
2
X 9. 8 1 X (2.000 - 1, 2) =O. 15 m/ S
Vt - 1 8X1,5 X 10 - 5 X 1,
Verifi cação do número de Reynolds:
_ Vi. dp _ 0. 15 X 50 X 10 - 5 = O. 50
':Re - (^) Var - (^1) 1 "' v x 10-^5
) regime é laminar. Como a hipótese inicial fo i confirmada, a velocid ade terminal
igual a O. 15 m/ s.
Contaminantes do ar 57
b) Cálculo da velocidade termina l para a partícula de 150 μm. Novamente fazendo-se a hipótese de que a ,-elocidade terminal será atingida no regime laminar. en tão CR = 2-l/ !Re. S ubstituindo-se Cn na Eq. (3.9). obtém-se a Eq. (3.10). ou seja:
. (150 X 10- 6 )^2 X 9. 81 X (2.000 - l. 2) j
\ t = 5 = 1. 36 m s
. 18 X 1, 5 X 10- X 1. 2
Verificação do número de Reynolds:
lRe = v't · dp = 1, 36 x_ 150 x ~o-
6
Var 1, o x io- :i
O regime é de trans ição. Como a hipótese inicial não fo i confirm ada, o cálculo deve ser refeito. Fazendo-se d esta vez Cn = 13/ ffe e s ubstituindo-se na Eq. (3.9). resulta:
..t = 3 ~. d'f, · 9
2
. (pp - Por)
2
1.521 μar Par
V, _ 3 16 (150 X lQ - 6 )^3 X (9. 81) 2 (2.000 - 1. 2)
t- 1. 521. l.5x10-sx l. 2 x 1.2 =0, 5 m/s
Verificação do número de Reynolds:
in~ = vt. dp = o. 86 x 150 x ~0-
5 = 8. (^) 6 Var 1. 5 X 10- "
O regime é de trru1sição. Como a hipótese inicial foi confirmada. a ,-elocidade
termi nal é igual a O, 6 m/ s.
OBSERVAÇÃO: Este exemplo enfatiza o caráter iterativo da solução. visto que no regi me uniforme. o coe fi ciente de resistência. Cn, é função da velocidade terminal. que é justamente a incógnita a ser d eter minada.
Exemp lo 3.5.
Aprese nt e num gráfico os valores da velocidade em fu nção da distância per- co rrida por uma partícula de 500 μm de diâmetro, em queda vertical no campo gravitacional da Terra. Supo r ar na condição-padrão de pressão e te mperatura e massa específica da part íc ula ig ual a 1.000 kg/ m 3.
