Controle da Poluição Atmosférica – Capítulo VI – Ventilação Industrial
VI - 1
Henrique de Melo Lisboa
CAPÍTULO VI
Montreal
Primeira versão - Outubro 2007
CONTROLE DA
POLUIÇÃO
ATMOSFÉRICA
VENTILAÇÃO
INDUSTRIAL
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Controle da Poluição Atmosférica - Cap 6 - Ventilacão Industrial, Notas de estudo de Engenharia Ambiental
http://www.lcqar.ufsc.br controle, poluição, atmosférica, ar
Tipologia: Notas de estudo
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Henrique de Melo Lisboa
CAPÍTULO VI
Montreal Primeira versão - Outubro 2007
CONTROLE DA
POLUIÇÃO
ATMOSFÉRICA
VENTILAÇÃO
INDUSTRIAL
SUMÁRIO
- 6.1 Introdução
- 6.1.1 Definição e Classificação
- 6.1.2 Tipos de Poluentes do Ar
- 6.2 Ventilação geral diluidora
- 6.2.1 Distribuição do ar no recinto
- 6.2.2 Limites de Tolerância............................................................................................................................................
- 6.2.3 Aplicação da ventilação geral diluidora com objetivos de atender as necessidades de conforto
- 6.2.4 VENTILAÇÃO GERAL DILUIDORA PARA A DISPERSÃO DE CONTAMINANTES INDUSTRIAIS...
- 6.2.5 VENTILAÇÃO GERAL PARA CONTROLE DE SUBSTÂNCIAS EXPLOSIVAS
- 6.3 VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA
- 6.3.1 Introducão
- 6.3.2 Captação dos Poluentes.......................................................................................................................................
- 6.3.3 Alguns Aspectos Importantes no Projeto e Localização do Captor
- 6.3.4 Velocidade de Captura
- 6.3.5 Vazão de Exaustão
- 6.3.6 Requisitos de Energia do Captor
- 6.3.7 Dimensionamento de captores.............................................................................................................................
- 6.3.8 Dimensionamento de dutos
- 6.3.8.1. Transporte dos Poluentes
- 6.3.8.2. Perdas de carga em Singularidades
- 6.3.8.3. Dimensionamento de dutos para uma instalação de ventilação geral diluidora
- 4.3.8.4. Dimensionamento de dutos para uma instalação de ventilação local exaustora
- 6.3.8.5. Filtros ou equipamentos de controle da poluição atmosférica
- 6.3.8.6. Conjunto Ventilador-Motor
- 6.3.8.7 Pressão e Potência do Ventilador
- 6.4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- ANEXO - CONVERSÃO DE UNIDADES
Ventilação também é útil na conservação de materiais e equipamentos. Finalmente, o seu uso pode promover ou auxiliar no conforto térmico dos ambientes de trabalho e ambientes em geral (ASSUNÇÃO, 1989). Contudo, na prática se tem verificado que muitos dos sistemas de ventilação instalados não vêm funcionando a contento, seja por falha de projeto, seja por construção ou funcionamento fora das condições de projeto ou mesmo por falta da manutenção adequada. Projetar um sistema para a ventilação industrial de um recinto consiste basicamente em três problemas (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992) :
I - Determinação da vazão de ar necessária e o esquema da distribuição do ar no recinto a ser ventilado. II - Projeto e cálculo das redes de dutos. III - Seleção dos ventiladores, ou de qualquer outro sistema de movimentação de ar (Ex. convecção natural).
Os problemas II e III, são bem conhecidos na área de ciências mecânicas: os princípios de cálculo de dutos de distribuição de ar e de seleção de ventiladores são práticas comuns em engenharia e seu desenvolvimento remonta a vários anos (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992). Resolver o problema da vazão necessária a ventilação e a sua distribuição, requer do projetista, grande experiência, criatividade e conhecimento dos princípios físicos em que esta se baseia. O objetivo principal do estudo de ventilação industrial em conformidade com a colocação inicial, é desenvolver técnicas para o controle das correntes de ar a serem introduzidas ou retiradas de um recinto afim de mantê-lo salubre, com o mínimo de perdas de energia (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992).. Existe uma diferença fundamental entre manter o bem estar em uma repartição pública (somente escritórios) e uma instalação industrial. Numa instalação industrial a ventilação do ambiente tem por finalidade o controle das concentrações de contaminantes e poluentes ou das condições térmicas e na maioria dos casos ambas. A ventilação neste caso pode consistir em passar simplesmente uma corrente de ar exterior, supostamente não contaminada, ou melhor não poluída, pelo interior do recinto, diminuindo assim a concentração do poluente ou contaminante a uma taxa aceitável pelo organismo humano. Este ar contaminado ou poluído a uma taxa permitida pelos órgãos controladores do ambiente, pode então, ser novamente retornado ao exterior, onde novamente o contaminante ou poluente será disperso a menor taxa. Acontece, que a operação contínua deste processo irá gradualmente aumentando a taxa de concentração destes poluentes e contaminantes na atmosfera tornando-a nociva a vida animal e vegetal (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992). Deve ficar bem claro que existe uma diferença sensível de objetivos entre a ventilação industrial e a comercial. Na ventilação comercial o objetivo principal é a eliminação de fumo, odores e calor; na ventilação industrial o objetivo é o controle da concentração de vários contaminantes tais como, pó, fumaça, fuligem, vapores, gases e outras impurezas químicas, bem como remoção de calor industrial. A primeira destina-se basicamente para obter-se condições de conforto a segunda tem a finalidade de tornar salubre o ambiente. Para ambos os casos o estudo dos contaminantes é fator de importância básica. Contaminantes, em geral, são substâncias indesejáveis no ambiente. Seus efeitos podem ser tóxicos quando inalados pelo ser humano, ou podem causar prejuízos em outros processos industriais, como
poeira em instalações de pintura etc. Por razões práticas, a palavra contaminante é utilizada em engenharia quando estuda-se o problema da eliminação de substâncias indesejáveis em processos industriais (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992).
6.1.1 Definição e Classificação
Ventilação pode ser definida como a movimentação intencional do ar de forma planejada a fim de atingir um determinado objetivo. Essa movimentação pode ser feita por meios naturais ou mecânicos. Deve-se ter em mente que o ar sempre se movimenta da zona de maior pressão para a zona de menor pressão. Portanto, o projeto correto de diferenciais de pressão no sistema é de fundamental importância para o seu funcionamento. Os sistemas de ventilação se classificam como: Ventilação Geral, natural ou mecânica, que é aquela que ventila o ambiente como um todo, também conhecida como Ventilação Geral Diluidora (VGD) e Ventilação Local Exaustora (VLE) que retira as substâncias emitidas diretamente do local de geração, conduzindo-os para a atmosfera externa. Os dois tipos são mostrados na Figura 6. 2.
Figura 6. 2 - Diferença entre ventilação geral e ventilação local exaustora. Fonte: VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992
6.1.2 Tipos de Poluentes do Ar
As substâncias emitidas nos ambientes de trabalho podem estar na forma de partículas sólidas ou líquidas (aerossóis) ou na forma gasosa (gases e vapores) ou na forma mista. Os aerossóis são sistemas dispersos cujo meio de dispersão é gasoso e cuja fase dispersa consiste de partículas sólidas ou líquidas. A forma como a substância é emitida é importante do ponto de vista da ventilação e também do ponto de vista toxicológico. Assim, partículas grosseiras (maiores que 40 μm) 2 se depositam logo após a emissão e não representam em geral um problema de saúde ocupacional. A inércia das partículas maiores também é um fator importante do ponto de vista aerodinâmico e deve ser levado em consideração quanto do projeto do sistema de captação e transporte. Dentre as partículas pequenas destacam-se aquelas de diâmetros menores de aproximadamente 10 μm que são consideradas as respiráveis. Quanto menor o diâmetro da partícula maior a probabilidade de penetração nas partes mais profundas do aparelho respiratório até causar danos à saúde dependendo evidentemente da toxicidade, quantidade de partículas presentes no fluxo e do tempo de exposição.
(^2) μm = micrometros (1x10-6^ metros)
Figura 6. 3 - Esquemas diversos de sistemas de ventilação geral diluidora Fonte: VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992
6.2.1 Distribuição do ar no recinto
A simples renovação de ar em um recinto não significa que este tornar-se-á salubre, é necessário que o ar seja distribuido de tal forma que a taxa de contaminante seja a mesma em todos os pontos. O conhecimento da forma como o ar externo, por intermédio da turbulência, mistura-se com o ar interno é de fundamental importância no projeto de sistemas de ventilação^4.
6.2.2 Limites de Tolerância
Concentração média de substâncias suspensas ou dispersas no ar dentro de um ambiente fechado em um determinado intervalo de tempo e que representa condições para as quais se pode presumir com certa segurança que os trabalhadores possam estar expostos em que ocorra efeito adverso em seus organismos. Gases tóxicos são aqueles que causam alterações fisiológicas quando em contato com os seres vivos. A extensão e profundidade do efeito estão relacionadas com o tempo de exposição, tipo do gás, partes afetadas, etc. Os mecanismos de ação sobre organismos vivos são variados causando danos ou interferindo com o metabolismo. Em alguns casos os efeitos aparecerão apenas após várias horas, como por exemplo a ação do NO. Normalmente as quantidades de gás necessárias para intoxicar, prejudicar ou as vezes matar são infinitamente menores que nos casos de sufocação, o que nos leva a definição dos LIMITES
DE EXPOSIÇÃO ( T.L.V. – Threshold Limit Value ) ).
Os TLV (Threshold Limit Value) são valores assumidos através de experiências da ACGIH - American Conference of Governmental Industrial Hygienists para concentrações máximas de gases tóxicos em ambientes de trabalho, que não prejudiquem pessoas a elas expostas. Estes valores devem ser utilizados apenas como referência.
O TLV refere-se as condições limites de qualidade do ar em ambientes de trabalho e representa os valores sobre os quais acredita-se que a quase totalidade dos trabalhadores possa ser repetidamente exposta, dia após dia, sem efeito adverso. Por causa de grande variação de suscetibilidade individual, uma pequena percentagem destes trabalhadores pode experimentar desconforto com algumas substâncias em concentrações igual ou abaixo do valor limite. O TLV ou TWA (Time Weighted Average) refere-se à concentração média, em tempo, para um dia normal de trabalho (08 horas) ou uma semana (40 horas) (Macyntire, 1990). O TLV-C (Threshold Limit Value - Short Term Exposure) refere-se ao teto ao qual a concentração não deve exceder, nem instantaneamente - ver Macyntire, 1990, pág. 10. Atenção especial deve ser dada em recintos em que gases tóxicos são manipulados, especialmente naqueles nos quais os cilindros estejam forçosamente dentro de ambientes fechados
- laboratórios por exemplo, recomenda-se:
- mantê-los em capelas com exaustão permanente
- haver renovação forçada de ar no laboratório
- instalar equipamentos de monitorização da atmosfera do recinto agrupados com alarme.
Sabe-se que, para muitos gases, quando o olfato nos indica alguma anormalidade o TLV já foi a muito excedido, o que nos torna a prática de cheirar o vazamento extremamente perigosa. Considere-se também a existência de gases muito tóxicos e totalmente inodoros como o monóxido de carbono (CO) ou os que entorpecem o sentido do olfato como o sulfeto de hidrogênio (H 2 S). Ver: Concentrações limites : Quadro 6. 1 e Quadro 6. 2
Controle da Poluição Atmosférica – Capítulo VI – Ventilação Industrial
VI -
11
Quadro 6. 2
- Interpretação de alguns threshold limit values (TLV) propostos em 1969 (MESQUITA et al., 1988 - pág.71)
Efeitos esperados da inalação diária (8/hdia)
Substâncias
TLVppm
Mais importanteefeito de inalação
TLV
2 X TLV
10 X TLV
Aldeídoacético
200
Irritação dos brônquiose dos pulmões; possíveisdanos aos pulmões
Irritação marcante dosolhos, nariz e gargantaodor perceptível
Nenhum
Irritação dos brônquiose dos pulmões; danosaos pulmões
Acetona
1000
Narcose
Alguma irritação dosolhos, nariz e gargantanarcose definida eodor perceptível
Nenhum
Narcose marcante;tontura e até inconsciência
Acrilonitrila
20
Toxidade aguda
Nenhum
Odor perceptível
Pequenos sintomas tóxicos
Anilina
5
Toxidade aguda
Nenhum
Cianose pode serevidente
Cianose pode ser marcante;pequenos sintomas tóxicos
diclorodifluor-metano
1000
Asfixia em altasconcentrações
Nenhum
Nenhum
Nenhum
Níquelcarbonila
0,
Câncer e irritação dosbrônquios e dos pulmõespossíveis danos aospulmões
Nenhum
Nenhum
Nenhum
Quinona
0,
Pigmentação dos olhos
Nenhum
Pigmentação dos olhos Perda da acuidade visual
Fumosmetálicos
5 mg/m
3
Febre-do-fumo
Febre-do-fumo
Febre-do-fumo ealgumairritação dos olhos,nariz e garganta
Irritação dos brônquiose dos pulmões; possíveisdanos aos pulmões
Etilenodiamina
10
Alergia e irritação dosbrônquios e dos pulmõespossíveis danos aospulmões
Odor perceptível
Alguma irritção dosolhos, nariz e garganta
Irritação severa dosolhos; o suficiente pararequerer tratamento médico
THRESHOLD LIMIT VALUES (TLV) Os threshold limit values (TLS), anualmente publicados pela American Conference of Governmental Industrial Hygienists,
referem-se a concentrações de substâncias suspensas ou dispersas no ar dos ambientes de trabalho e representam condições sob as quaisse supõe que quase todos os trabalhadores possam estar expostos repetidamente, dia após dia, sem efeito adverso. Devido àsuscetibilidade individual, contudo, uma pequena porcentagem dos trabalhadores pode sentir desconforto a algumas substâncias emconcentrações iguais ou abaixo dos TLV, e uma menor porcentagem pode ser afetada mais seriamente, por agravamento de uma condiçãopré-existente, ou pelo desenvolvimento de uma doença ocupacional (MESQUITA et al., 1988 - pág.71).
6.2.3 Aplicação da ventilação geral diluidora com objetivos de atender as
necessidades de conforto
O cálculo da quantidade de ar é feito de três formas (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992):
a) Calculando-se o volume de ar por pessoa para remover odores – Quadro 6. 3.
Quadro 6. 3 - Ar externo necessário (ABNT) Ar externo necessário em m 3 /h pessoa Por pessoa Preferível Mínimo Não fumando 13 8 Fumando 50 40
b) Calculando-se a quantidade de ar para produzir correntes de ar com velocidades pré-estabelecidas em determinados pontos e melhorar o conforto térmico (1,5 a 15 m/min ABNT )
c) Calculando-se o volume de ar na base de renovações totais de ar do recinto – Quadro 6. 4.
Quadro 6. 4 - Tocas de ar recomendadas (MESQUITA et al., 1988)
Tipo de sala Minutos por troca de ar
Trocas de ar por hora Auditórios e salas de reuniões 5-10 6- Padarias 3 20 Salas de caldeira 1-5 12- Cabinas 5 12 Salas de jantar 5-15 4- Salas de tingimento 5-10 6- Fundição 5-15 4- Garagens 5 12 cozinhas 2-3 20- Laboratórios 3-10 6- Lavanderias 5 12 Oficinas 15-20 6- Escritórios 5-10 6- Túneis 1-10 6- Compartimentos de carga de navio 10 6
Exemplo:
Num escritório de 30x10x4m, com 30 pessoas. Qual o volume de ar necessário para ventilá- lo?
1 a^ maneira: A Tabela 3 com todas as pessoas fumando recomenda 50 m^3 /h pessoa o que seria pouco provável, um valor de 30 m^3 /h pessoa é um valor razoável. 30 m^3 /h pessoa X 30 pessoas = 900 m^3 /h
2 a^ Maneira: A Tabela 4 recomenda 10 trocas/hora o que nos dá:
Volume = 30x10x4 = 1200 m^3 Volume de ar necessário = 10x1200m^3 = 12000 m^3 /h
3 a^ Maneira: Baseado na velocidade de 1,5 a 15 m/min Área de passagem do ar = 4x10 = 40m^2 Velocidade calculada pelo volume de ar encontrado na 1 a^ maneira.
V = 900 = 22,5 m/h = 0,37 m/min 40 que deu menor que a mínima. Aqui pode-se escolher um valor da velocidade, como por exemplo V = 2m/min e com este valor determinar a vazão, com V = Q Q = VxA A Q = 2m/min x 40 m^2 Q = 80 m^3 /min = 4800 m^3 /h
Que é maior que 900 e menor que 12000 m^3 /h sendo portanto um valor aceitável. Entretanto, um valor da ordem de 7200 m^3 /h atende todas as condições mínimas, sendo o mais indicado.
6.2.4 VENTILAÇÃO GERAL DILUIDORA PARA A DISPERSÃO DE
CONTAMINANTES INDUSTRIAIS
TAXA DE VENTILAÇÃO - GASES E VAPORES (MESQUITA et al., 1988, pág 179; MACINTYRE, 1990, pág.107)
Q G
M LT
N =^.^.^ .k
onde, QN - vazão necessária (pé^3 /min) LT - limite de tolerância (ppm em volume) - concentração desejada M - massa molecular (lb/lbmol) G - taxa de geração da substância que se quer diluir (lb/min) 387 - volume de 1 lb mol de qquer gás a 70 o^ F a 1 atm (volume molecular)
Em unidades métricas:
Q m h
G kg h
M kg kgmol LT ppm
N (^ /^ )^ k
onde, 1,5 ≤ K ≤ 10 (ref..6/108 ou 3/180) – Tabela 5
Quadro 6. 6 - Constantes físicas de algumas substâncias
Fonte: ASSUNÇÃO, et al. (1989), pág.11 e 58
Exemplo de um bar esfumaçado...
Ref. Introduction to environmental engineering and science, 1991
Figura 6. 4 - Fumaça de cigarro num bar
6.3 VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA
6.3.1 Introducão
A ventilação local exaustora capta os poluentes diretamente na fonte evitando desta forma a dispersão dos mesmos no ambiente de trabalho. Desta forma a quantidade de ar externo envolvida no processo é pequena em comparação com o processo de ventilação natural (2/18). Pode-se deduzir portanto que esse tipo de ventilação é mais adequado à proteção da saúde do trabalhador. Conforme apresentado na Figura 6. 5 um sistema de ventilação local exaustora é composto de (ASSUNÇÃO, 1989):
Figura 6. 5 - Componentes de sistemas de ventilação local exaustora
CAPTORES - os captores são os pontos de entrada dos poluentes mais gás carreador (em geral o ar) no sistema.
DUTOS - têm a função de transportar os poluentes. Podem ser divididos em tramos, duto principal e chaminé.
FILTRO - o filtro, que é o equipamento destinado à limpeza do ar exaurido antes de seu lançamento na atmosfera inclui tudo que é necessário para o seu funcionamento, como por exemplo, trocadores de calor e pré-filtragem (pré-coletor). A presença do filtro no sistema dependerá das normas locais de controle de poluição.
CONJUNTO VENTILADOR-MOTOR - o conjunto motor-ventilador fornece a energia necessária para movimentar o fluido e vencer todas as perdas de carga do sistema.
CHAMINÉ - a chaminé é parte integrante do sistema de transporte dos poluentes e é a parte final do sistema, cuja finalidade é o lançamento do gás transportador mais emissão residual na atmosfera.
O contaminante produzido na operação é capturado no captor e conduzido pelo tramo e duto e atirado no exterior do recinto. O projeto de um sistema de ventilação local exaustor depende da estimativa da vazão de ar necessária para a retirada do contaminante. A estimativa desta quantidade de ar e da velocidade da corrente irá fornecer a área de entrada do captor, secção do duto e potência do ventilador. Conforme será visto, a estimativa da quantidade de ar necessária a retirada de certo contaminante do ambiente, depende consideravelmente do tipo do mesmo (VALLE PEREIRA FILHO e MELO, 1992, pág 18).
O adequado projeto, instalação e funcionamento de cada uma das partes é importante para a eficiência e eficácia do sistema como um todo influenciando, portanto, a performance final do mesmo.
OBS: Legislação Ambiental do Estado de .São Paulo - Decreto lei nº8468 de 88/9/ Seção III - Dos padrões de condicionamento e projeto para fontes estacionárias : Art.35 (p.16) - "Toda fonte de poluição do ar deverá ser provida de sistema de ventilação local exaustora e o lançamento na ATM somente poderá ser realizado através de chaminé, salvo quando especificado diversamente neste Regulamento ou normas dele decorrentes".
6.3.2 Captação dos Poluentes
A captação é um ponto fundamental do sistema. Este não atingirá seus objetivos se não houver uma captação adequada dos poluentes. No projeto deste componente estão envolvidos os seguintes fatores: escolha do tipo e geometria dos captores: posicionamento do captor em relação à fonte: velocidade de captura requerida para captar o poluente no ponto mais desfavorável; determinação da vazão de captação; requisitos de energia do captor.
Tipos de captores : Quanto à forma e posição relativa à fonte, os captores são usualmente classificados em:
Captores Enclausurantes - São os captores que envolvem a fonte de poluição, ou seja, a emissão dos poluentes acontece dentro do captor. Neste tipo de captor existem aberturas pequenas (frestas) para entrada do ar de exaustão - Figura 6. 6.
Figura 6. 6 - Captor Enclausurante
Captores Tipo Cabine - São captores similares aos enclausurantes mas, que se diferenciam pela maior área aberta para entrada ar de exaustão. Exemplo típico são as cabines com exaustão utilizadas em operações de pintura a revólver - Figura 5.
Captores Externos - São os captores posicionados externamente à fonte. Esses captores devem induzir, na zona de emissão dos poluentes, correntes de ar em velocidade suficiente para a captação e condução dos poluentes para dentro do captor. Podem ser do tipo lateral, superior ou inferior. O captor tipo coifa é um exemplo típico de captor externo superior – Figura 6. 8 e Figura 6. 9.
Figura 6. 7 – Captor tipo cabine.