O local onde é feito o levantamento da concentração de partículas é possível de ser identificado pela localização de tubos com terminações azuis na Figura 54.
Figura 54 - Local de colocação do módulo, dois tubos para leitura de partículas
A concentração de partículas é obtida recorrendo a um aparelho de medição, TSI DUSTTRAK DRX 8533 [58]. Os dados foram recolhidos consecutivamente em ambos os pontos do túnel de ventilação, o tempo de duração de cada medição era de um minuto, em cada um dos orifícios, no total de 6 minutos de experiência. No total da experiência para cada módulo eram obtidos 3 valores médios de concentração antes do módulo e 3 valores médios de concentração após o módulo, permitindo obter 3 valores de eficiência para cada módulo numa dada tensão de operação. Sendo que após os 6 minutos de medição, a tensão aplicada aos ionizadores e coletores era aumentada gradualmente.
A Figura 55 é um exemplo da interface do DUSTTRAK em leitura de concentrações. Através de uma conexão USB os dados eram extraídos possibilitando assim a realização de gráficos como os obtidos no capítulo Eficiências.
Importante frisar que a leitura das perdas de carga é realizada identicamente à leitura de partículas. Com o módulo em funcionamento são colocados dois tubos de Pitot, um em cada terminação azul visível na
48 Figura 54. As perdas de carga serão obtidas através da diferença entre a pressão estática e a total entre os dois tubos.
O cálculo é feito através do equipamento de leitura Extech HD755 (ver Figura 55), um manómetro de pressões diferenciais. É capaz de medir em 11 diferentes unidades e tendo como resolução máxima 0.001kPa. O equipamento é constituído por duas entradas que registam a pressão antes e após a passagem pelo módulo.
Para a obtenção de leituras viáveis de perdas de carga para cada módulo, recorreu-se a uma característica do equipamento que permite durante um período de tempo (definido nesta experiência como 6 minutos) registar o valor máximo, mínimo e médio de diferença de pressão registado. [59]
Figura 55 -a) Interface do leitor de partículas DUSTTRAK b) Manómetro de pressões diferenciais; Modelo HD755 da companhia EXTECH
As perdas de carga são um parâmetro fundamental no design de um respirador. Representa quantitivamente a resistência do respirador à respiração do utilizador. Quanto maior a perda de carga maior terá de ser o esforço do utilizador para respirar, dificultando assim a tarefa que esteja a executar. Altas perdas de carga tornam também impeditivo o uso de respiradores por grupos de cidadãos considerados mais sensíveis, como é o caso das crianças ou idosos que apresentam maiores limitações em termos de ventilação e, portanto, seriam incapazes de suportar entraves elevados na ordem dos 300 Pa como pode ser verificado na seguinte figura:
49
Figura 56 - Perdas de carga e eficiências para vários tipos de EPR's [60]
5.2.4.
Circuito Elétrico
Como foi explicado na seção Circuito elétrico do capítulo Precipitador eletrostático - constituição, para ocorrência de ionização é necessário a aplicação de tensão constante aos ionizadores. Ao ser utilizada a potência da rede (em corrente alternada) foi necessário a construção de um circuito alternador, através de pontes de H recorrendo ao uso de 4 díodos de forma a obter um sinal de uma polaridade apenas. Após a obtenção de corrente contínua é necessário ter um circuito que eleve o valor das tensões do circuito. De recordar que são necessários valores de tensão na ordem de grandeza dos kV e a rede elétrica nacional apenas é capaz de fornecer 220 V. O circuito após intensificar a nossa gama de tensões, recorrendo a um transformador, é equipado de um retificador com o intuito de tornar o sinal mais constante possível e seguro para os utilizadores.
Por último é aplicado um reóstato (Figura 57) possibilitando a regulação da tensão aplicada aos ionizadores e coletores permitindo assim a regulação desejada para a realização experimental.
50
6. Resultados e Discussão
Este capítulo incidirá com foco especial nos valores de eficiência e perdas de carga dos diferentes módulos com o intuito de obter um design ótimo que maximize a eficiência minimizando simultaneamente as perdas de carga para um dado caudal de ventilação.
6.1.
Eficiências
Com o auxílio do DUSTTRACK foi possível obter valores de concentração de partículas antes e após passagem no módulo, para ambas as fontes de partículas. Recorrendo à Equação 3 ,com a aplicação de um algoritmo criado em Wolfram Mathematica® para tratamento dos dados registados no DUSTTRAK, foi possível obter os seguintes gráficos para os diferentes módulos:
• Módulo 3
Verificamos na Figura 58 que existe concordância de valores para ambos os tamanhos de partículas (≤2.5 µm, ≤10 µm ou as totais com diâmetro menor ou igual que 10 µm). Pode-se concluir que a queima do incenso produz na sua maioria partículas finas com diâmetros inferiores a 2.5 µm ou partículas finas. Ao longo da experiência com o incremento da tensão pode-se constatar que existe um ligeiro aumento nos valores de eficiência do módulo. É concordante com o referido no capítulo dos parâmetros que influenciam a coleção de partículas, na seção Magnitude e polaridade da tensão aplicada. A eficiência máxima obtida foi de 19.8% para o valor de tensão de 3.98 kV.
Figura 58 - Eficiências versus tensão para o Módulo 3: Incenso
A eficiência obtida é semelhante aos primeiros dois módulos simulados, verifica-se que a diferença na geometria poderá produzir melhorias dado que apenas foi utilizado um par ionizador coletor neste módulo. No módulo 4 será testado um melhoramento a esta geometria com o intuito de alcançar melhores resultados.
• Módulo 4
O módulo 4 representa o sistema que permite tirar conclusões sobre a influência do número de ionizadores/coletores na coleção de partículas.
O triplo de ionizadores e coletores no módulo (comparativamente ao módulo 3) permitem obter valores de eficiência como os apresentados na Figura 59. Tal resultado é argumentado com um aumento substancial da intensidade do campo elétrico em todo o módulo em comparação com os restantes já testados (Tabela 8). Esta afirmação é sustentada pela Figura 41 ,já apresentada anteriormente, onde é possível verificar o potencial elétrico mais distribuído em comparação com a Figura 40 referente ao Módulo 3 por exemplo.
Um aumento da intensidade do campo elétrico provoca um aumento da ionização para um dado potencial elétrico. O que origina uma maior produção de iões livres que poderão aderir às partículas, consequentemente a eficiência do sistema aumenta.
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Figura 59 - Eficiências versus tensão para o Módulo 4: Incenso
Verifica-se novamente a concordância entre o aumento de tensão e o aumento de eficiência do sistema. O Módulo 4 foi submetido a partículas provenientes da queima de tabaco com o intuito de estudar a sua eficiência para diversos tipos de partículas.
Como é possível verificar na Figura 60, os resultados obtidos são semelhantes aos da Figura 59 referentes à queima de incenso. É possível concluir que a queima de tabaco e incenso produz partículas que se comportam de forma semelhante quando sujeitas a precipitação electroestática.
Figura 60 - Eficiências versus tensão para o Módulo 4: Tabaco
Existe concordância nos valores obtidos em função da tensão aplicada no módulo como já foi afirmado anteriormente. O valor máximo de eficiência obtido é de 30.5% para a mesma tensão de 3.5 kV aplicada a cada um dos terminais.
• Módulo 6
O Módulo 6 representa uma inovação em termos de estrutura de coletor na aplicação de uma grelha ao invés de um cilindro de alumínio.
Neste teste procurou-se explorar a influência do número de ionizadores na eficiência total do sistema como foi realizado entre o módulo 3 e módulo 4. O módulo 6 é constituído por um coletor em estrutura de grelha e 3 ionizadores, ambos os componentes espaçados por 1 cm entre si.
A grelha tem a mesma área de coleção do coletor utilizado no módulo 5, sendo então a única variável em estudo o número de ionizadores no sistema.
Os resultados obtidos são apresentados na Figura 61 e estão coerentes com o verificado em todos os módulos antecedentes: a eficiência melhora com o incremento da tensão e módulo 6 não é exceção.
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Figura 61 - Eficiência versus tensão para o Módulo 6: Incenso
A eficiência máxima média foi de 78.3% para um valor de tensão aplicada de 4.48 kV. Conclui-se que a o coletor em formato de grelha permite um incremento na eficiência de quase 400% quando comparado com o módulo 3, esta diferença é significativa quando comparamos a distribuição espacial do potencial elétrico de cada módulo (Figura 40 e Figura 43 respetivamente). A diferença entre ambos os módulos é simplesmente o formato do coletor aplicado. Na Figura 62 apresenta-se os resultados do módulo em estudo para partículas provenientes da queima do tabaco e os resultados são semelhantes, como esperado, aos obtidos com o incenso.
Registou-se um valor máximo de 74.4% para a filtragem de partículas de tabaco.
Figura 62 - Eficiência versus tensão para o Módulo 6: Tabaco
Conclui-se que para este tipo de sistema o coletor em estrutura de grelha oferece melhores resultados que o coletor em formato cilíndrico. Tal resultado pode ser explicado devido a uma maior intensidade do campo elétrico e a sua distribuição espacial no módulo (Figura 43 e Tabela 8). A grelha permite uma maior intensidade do campo elétrico ao longo do módulo facilitando a captação das partículas. Simultaneamente a área de coleção é substancialmente superior ao utilizado nos módulos prévios o que potencia a captação de partículas.
Em suma, comparando as diferentes figuras que apresentam as diversas eficiências e simulações para os módulos testados foi possível concluir o seguinte:
• A aplicação horizontal ou vertical dos ionizadores não apresenta relação com a eficiência do sistema neste tipo de geometria, visto que a distribuição espacial do campo elétrico não se altera. • Quanto maior for a tensão aplicada ao conjunto ionizador/coletor, maior será a intensidade de campo elétrico que produzirá um maior número de cargas livres. Aumentando de tal forma a probabilidade de agregamentos a uma partícula que mais tarde será removida. Consequentemente surge um incremento na eficiência do sistema.
• Com o decorrer da experiência foi verificado que a queima de tabaco e de incenso é caracterizada, maioritariamente, pela produção de partículas finas com menos de 2.5µm. Justificando assim a apresentação das eficiências obtidas apenas para este tipo de partículas para
53 os restantes testes. Os testes, pela mesma razão, poderiam ser mais abreviados caso se resolvesse examinar apenas a queima de uma das fontes.
• A colocação do ionizador num plano anterior ao coletor permite melhorar eficiências, promovendo a ionização do ar e carregamento de partículas num local prévio à zona de coleção. Aquando do atravessamento do coletor as partículas estarão mais carregadas e o coletor exercerá uma maior atração, aumentando a eficiência do sistema.
• Quanto maior for o número de pares ionizador/coletor maior será a eficiência do sistema, até atingir um certo equilíbrio como foi referido anteriormente em Geometria dos ionizadores e quantidade dos mesmos. É visível a melhoria na eficiência entre o módulo 3 e o módulo 4, com o triplo de ionizadores/coletores a eficiência passou de 20% para 34% em média. Um incremento de 40% aproximadamente, porém a colocação de um número elevado de ionizadores/coletores causará alterações no campo elétrico que poderão ser prejudiciais à ionização/captação das partículas. A mesma resposta se verificou na comparação de resultados entre o Módulo 5 e Módulo 6, porém a melhoria de eficiência não foi tão acentuada o que ajuda a comprovar que a área de coleção é um fator de maior importância quando comparado com o número de ionizadores nesta geometria.
• O coletor em estrutura de grelha produziu excelentes resultados quando em comparação com os resultados conseguidos pelo coletor em estrutura tubular. A mudança na estrutura do coletor provocou um aumento de eficiência até 120 % quando comparamos os resultados do módulo 4 (35%) com os do módulo 6 (78%). Os resultados são justificados pelo incremento da intensidade do campo elétrico causado pela introdução da grelha. Um incremento da intensidade e uma melhor distribuição espacial da mesma no módulo, produz um maior número de cargas livres e torna o processo de coleção mais eficiente visto existir uma maior força eletrostática a atuar na partícula. Tal afirmação é coerente com os resultados obtidos na seção Simulações.
• Por último verificou-se experimentalmente que a área de coleção tem uma forte influência no processo de filtração de partículas por precipitação eletrostática. Quanto menor a área de coleção menor será a área disponível para captação de partículas pelos diversos mecanismos e consequentemente a eficiência será reduzida face a valores esperados.
Em alguns módulos poderá ter ocorrido saturação da área de coleção o que poderá ter causado uma influência negativa na eficiência obtida experimentalmente. Tal efeito foi minimizado pelas diversas experiências realizadas consecutivamente.
Foi calculado o erro relativo das eficiências dos diferentes módulos comparando os resultados obtidos em simulação com os experimentais e apresentados na Tabela 9. Os erros são relativamente baixos, à exceção do módulo 3 com 50% de erro. Os módulos com melhores desempenho na prática foram os que tiveram menores erros relativos (Módulo 6 e Módulo 7 com 0.89% e 2.9% de erro respetivo). O erro obtido para o Módulo 3 pode ter sido consequência da simplicidade da geometria que na simulação não permitiu reproduzir fielmente os processos de ionização e atração de partículas.
Tabela 9 - Erro relativo das eficiências obtidas Módulo Erro 𝛈 simulação vs experimental [%]
1 8.9 2 8.9 3 50 4 17.2 5 8.1 6 0.89 7 2.9
54
6.2.
Perdas de carga
Como foi já abordado diversas vezes nesta dissertação, um critério de desempenho importante no desenvolvimento de um respirador é a resistência à respiração do utilizador ou perdas de carga do equipamento de proteção.
Para todos os módulos foi necessário quantificar as perdas de carga com o intuito de provar que o conceito de precipitação eletrostática, quando aplicado a um respirador reduz drasticamente a resistência à respiração sem pôr em causa as elevadas eficiências na filtração.
Recorrendo ao manómetro de leitura Extech HD755 (ver Figura 55), mediu-se experimentalmente as perdas de carga nas mesmas condições em que foram realizados os testes à eficiência de cada módulo. O resultado obtido para o módulo 6 foi igual ou inferior à sensibilidade de medição do aparelho (0.001 kPa), portanto pode-se concluir que o referido módulo terá no máximo 1 Pa de perdas de carga. Sendo o módulo 6 o teste onde é esperado maior resistência à passagem do fluido, pode aferir-se que as restantes soluções estudadas terão no máximo 1Pa de perda de carga. Um valor irrisório comparado com as diversas soluções de mercado existentes e evidenciadas na Figura 56.
Este valor obtido está conforme os já visualizados na Tabela 8, as perdas de carga rondam o valor de 1 Pa para os diversos módulos. Como tal não se apresentou, no capítulo Simulações, as figuras referentes às perdas de carga dos distintos módulos com o intuito de facilitar a compreensão do leitor. Porém será possível verificar as mesmas figuras em Anexos e constatar que as perdas de pressão ao longo do módulo são irrisórias.
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7. Conclusões
Ao longo desta dissertação e com os resultados obtidos nas Simulações e, posteriormente, no processo experimental, verificou-se que o protótipo desenvolvido é uma opção viável e fidedigna para rivalizar com as opções atuais no mercado de EPRs.
A elaboração de um protótipo em laboratório e sujeitando os valores obtidos às diversas normas europeias referentes a equipamentos de proteção respiratória, verifica-se que as eficiências obtidas de quase 80% (Módulo 6) equivalem a um filtro de partículas de classe 1. Segundo a norma EN143, o filtro com 80% de eficiência e com Nominal Protection Factor ou Assigned Protection Factor de 4 equivale a uma classificação de P1 (ver Tabela 6).
Este filtro quando aplicado a um respirador, a sua classificação será alterada para FFP1(filter facepiece
category 1) mantendo o mesmo valor de APF, segundo a norma EN149 (Tabela 3 e Tabela 6).
O caudal existente no túnel de ventilação é sensivelmente inferior (a rondar os 25 l/min) ao aplicado em testes segundo as diretrizes europeias EN143 referente a filtros de partículas (30 l/min). Contudo comparando os resultados de perdas de carga obtidos nos módulos com os valores máximos legais apresentados na Tabela 4 constata-se que o protótipo concebido está facilmente dentro dos parâmetros legais. O valor máximo obtido experimentalmente foi de 1 Pa e o valor máximo legal para o filtro de partículas P1 é de 60 Pa. Sustentando as convicções iniciais desta dissertação para o filtro de partículas, um filtro de altas eficiências a baixas perdas de pressão que consiga rivalizar e colmatar as necessidades do mercado de EPR’s.
Em termos de funcionamento e otimização do filtro verificou-se ao longo da dissertação que quanto maior a tensão aplicada ao conjunto ionizador/coletor maior será a eficiência do sistema. Facilitará a ionização do fluido e o carregamento das partículas. Consequentemente, existindo um maior carregamento das partículas e sujeitas a um campo elétrico mais intenso, a coleção das partículas será facilitada. Contudo é necessário evitar a descarga elétrica que interrompe o funcionamento do sistema e pode colocar em risco a segurança do utilizador.
Para além da tensão aplicada, a colocação do ionizador num plano antecipado ao coletor permite aumentar o carregamento das partículas visto que a partícula está mais tempo sujeita às cargas livres do que quando o coletor e o ionizador estão lado a lado. Bem como um aumento razoável do número de ionizadores aumenta a ionização do fluido devido a um aumento considerável da intensidade de campo elétrico no módulo. Ambas as alterações produzem uma melhoria da eficiência do sistema.
Apurou-se que uma maior área de coleção tem uma influência importante na eficiência do sistema. Para além de contribuir para uma maior superfície onde seja possível captar partículas carregadas eletrostaticamente, simultaneamente ajuda a uma maior distribuição e intensidade do campo elétrico no sistema.
Em suma, uma elevada intensidade do campo elétrico e a sua ampla distribuição no filtro é o principal objetivo a otimizar num EPR. Sendo este o mecanismo responsável pela ionização do fluido, pelo carregamento das partículas e consequente coleção. Porém não poderá ser descartada a geometria do filtro visto ser essencial a captura das diversas partículas num coletor com área de coleção adequada à situação.
Como possíveis futuros melhoramentos, sugere-se um maior estudo das fugas do filtro e para uma possível introdução da tecnologia no mercado são necessários ainda diversos estudos focados na elaboração de um circuito barato, estável e portátil que permita um amplo acesso e disseminação da tecnologia pelo mercado de EPRs.
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