Ventilação Aplicada à Engenharia de Segurança do Trabalho

Ventilação Aplicada à

Engenharia de Segurança

do Trabalho

Prof. Alex Maurício Araújo

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

ESPECIALIZAÇÃO em ENGENHARIA de SEGURANÇA do TRABALHO

Recife - 2009

Sistema de Dutos para Ventilação

É uma disposição de condutos (tubos e dutos) para a condução

do ar

sob pressão pouco elevada

. Não ocorrendo

fenômenos

termodinâmicos

como nas linhas de ar comprimido e de vapor.

1 – Dimensionamento dos dutos para

insuflamento e aspiração

Se baseia na equação de

conservação de massa

(continuidade) e

da

energia

(Bernoulli).

Q = A V

Q – vazão do ar (m

3

_{/s) (cfm) (cfs)}

A - Área transversal do fluxo (m

2

_{) (ft}

2

₎

h – energia de posição (

desprezível p/ ventilação

) (m)

p/



- energia de pressão estática (m)

v

2

/2g – energia de pressão de velocidade, cinética,

de pressão dinâmica (m)

H – energia total por unidade de peso do fluido (m)

Que pode ser obtida de: ET = m g h + p V + m v

2

_{/ 2 .}

g

v

p

h

H

2

2









O desnível energético entre 2 posições “a” e “b” de um sistema de

dutos é a

perda de carga



H

_a-b









































g

Vb

p

h

g

Va

p

h

H

a b a a _b b

2

2

2 2





ou

g

V

D

L

f

g

V

V

p

p

H

_{a b} a b a b

2

*

*

2

2 2 2















_





















_



(m)

(Fórmula universal)

Esta energia deverá ser proporcionada por um

ventilador

e seu

cálculo vai especificar a turbomáquina operatriz.

1a.--> 2a.-->

3a.--> p_T = p_D + p_E

Exemplo de conversão de unidades de pressão em colunas de fluido

Obter o fator de conversão de (pé coluna de ar) para (pol H₂O) e (mm H₂O)

h_ar

ar

h_H2O H2O

p p

p_ar = _ar g h_ar

p_H2O = _H2O g h_H2O

h_H2O = (_ar / _H2O ) h_ar

h_H2O (pol H₂O) = (1,2 kg/m3 _{/ 10}3 _kg/m3_{) h}

ar (12 pol / 1 ft) = 0,0144

Em sistemas de VI em geral as pressões estáticas são medidas em altura de coluna d´água (por ex.: pol H₂O) por piezômetros nas tomadas de parede. Por outro lado, as cotas dos eixos dos dutos e as alturas de energia correspondentes à velocidade do fluxo de ar são medidos e calculados em altura de coluna de ar (por ex.: ft de ar).

Como p_ar = p_H2O = p

h_H2O (mm H₂O) = (1,2 kg/m3 _{/ 10}3 _kg/m3_{) h}

Exemplo de

análise das energias e perdas

num sistema de dutos

No sistema de dutos o ar flui em regime permanente entre as seções 1-1 e 2-2. Calcular a Q_ar em 2-2 e a perda de energia entre 1-1 e 2-2.

(Ref 4, pg 25)

Dados:

v

₁

= 3000 fpm

D

₁

= 12 pol = 1 ft

p

₁

/



= 5 pol H

₂

O

Z

₁

= 1 ft

D

₂

= 20 pol

p

₂

/



= 2 pol H

₂

O

Z

₂

= 2 ft

g = 32,2 ft/s

2 D₂ D₁ Z₂ Z₁

A) Cálculo de Q₁ :

Q₁ = v₁D₁2 _{/ 4 = 3000}  ₁2 _{/ 4 = 2356,2 cfm}

B) Cálculo de Q₂ e v₂ :

Pela (LCM) Q₁ = Q₂ = 2356,2 cfm; v₂ = Q₂ / A₂ = 2356,2 cfm / (( 1,672_{) / 4) = 1080 fpm}

C) Perda de energia entre 1-1 e 2-2 :

Pela (LCE – T. Bernoulli): z₁ + (p₁/) +( v₁2 _{/ 2g) = z}

2 +( p2/) + (v22 / 2g) + h1-2

h_1-2 = (z₁ – z₂) + (p₁ – p₂)/ + (v₁2 _{- v}

22)/2g = (1-2) + (5-2) + (v12 - v22)/2g

h_1-2 = (-1) ft de ar + 3 pol H₂O + (v₁2 _{- v}

22)/2g

D) Cálculo da altura da diferença de energias de velocidades :

(v₁2 _{- v}

22)/2g = ((3000/60)2 – (1080/60)2 / 2*32,2) = (2500 – 324)/64,4 = 33,8 ft de ar

E) Perda de energia entre 1-1 e 2-2 :

h_1-2 = (-1) ft de ar + 3 pol H₂O + 33,8 ft de ar

F) Análise (%) das energias perdidas no problema: (z₁ – z₂) = - 0,0114 pol H₂O  0,0144 / 3,472= 0,4% (p₁ – p₂)/ = 3 pol H₂O  3 / 3,472 = 86% (v₁2 _{- v} 22)/2g = 0,487 pol H2O  0,487 / 3,472 = 14% G) Conclusões:

1) As diferenças de cotas altimétricas nas instalações de VI produzem relativamente pequenas variações de energia mecânica;

2) As variações de velocidades nos dutos dos sistemas de VI produzem, em geral, variação de energia maiores que às das cotas;

3) O principal modo de energia mecânica nos sistemas de VI, é a energia potencial de pressão do ar, dada em função da sua pressão estática ou termodinâmica;

4) As perdas de energia nos sistemas de VI ocorrem principalmente em função da queda de pressão estática do fluxo de ar.

2 – Classificação dos escoamentos de ar em dutos

A

NB-10/1978

da ABNT classifica :

Baixa pressão : p

_E

< 50mmH

₂

O

(500Pa)

e v < 10m/s

Média pressão : p

_E

< 150mmH

₂

O e v > 10m/s

Alta pressão : p

_E

(150 – 250)mmH

₂

O e v > 10m/s

3 – Cálculo de perda de carga em duto

Calcular a perda de carga em um tubo retilíneo de polipropileno

(



= 0,00015m) com D = 45cm e 25m de extensão conduzindo

1,1m

3

_{/s de ar a 30}

O

_C.

A. Cálculo da velocidade média do fluxo de ar no duto s m A Q V 6,9 / 4 ) 45 , 0 * ( 1 , 1 2   



(Obs.: 250 mmH₂O = 2,4% de 10330 mmH₂O)

C. Cálculo do NRe e rugosidade relativa B. Massa específica e viscosidade dinâmica

T = 30

O

_C

 

_{= 1,1644 kg/m}

3

 

_{= 18,648}



_{Pa . s}

5 6

1

,

9

*

10

.

10

*

648

,

18

45

,

0

*

9

,

6

*

1644

,

1

Re





_



s

Pa

VD

N





00033

,

0

10

*

3

,

3

45

,

0

00015

,

0

_

₄

_





D



Temperatura (°C) Massa específica (kg/m3₎ Viscosidade dinâmica  (Pa.s) 0 1,2922 17,780 10 1,2467 17,708 20 1,2041 18,178 30 1,1644 18,648 40 1,1272 19,118 50 1,0924 19,588

D. Estimativa do coeficiente de atrito

E. Cálculo de perda de carga / fórmula universal de Darcy e Weisbach

m g V D L f H 2,38 20 9 , 6 * 45 , 0 25 * 018 , 0 2 * * 2 2    

Perda de pressão correspondente: p = gH=1,1644 * 10 * 2,38 = 27,7Pa = 2,77mmH₂O 1Pa 0,1mmH₂O

(Ref. 1, pág 121)

Diagrama de Moody



f



0,018

4 – Correção da perda de carga para ar com

partículas em suspensão

Nesses casos a perda de carga se torna ainda maior.

Precisa-se determinar a relação:

A = Peso do material transportado

Peso do ar limpo transportador

e usar gráfico para

corrigir o valor de



H

_cp

= B *



H

_puro

5 – Velocidades recomendadas em sistemas de

dutos de ar de baixa pressão

(NB-10/1978-ABNT)

Designação Edifício Públicos (m/min) Indústrias (m/min) (m/s) Entrada de ar no duto 150-270 150-360 2,5 - 6,0 Filtros 90-110 110-120 1,8 - 2,0 Lavador de ar 150-210 150-210 2,5 - 3,5 Aspiração do ventilador 250-300 300-430 5,0 - 7,2 Saída do ventilador 600-660 720-840 12 – 14 Dutos principais 390-480 540-600 8 – 10 Ramais horizontais 270-390 180-540 3 – 9 Ramais verticais 210-360 240-480 4 – 8 Difusores ou bocas de insuflamento 30-120 60-300 1 - 5

6 - Sistema de dutos

Uma linha de condutos (tubos e dutos) deverá ser instalada de acordo com o layout geral da fábrica, interligando captores (coifas) ao sistema de coleta. Deverá ser do menor produto (Q x L) possível, a fim de minimizar custos de instalação e consumo de energia.

Para o dimensionamento de dutos e captores, bem como das singularidades ao longo deles, o projetista deverá levar em consideração as vazões necessárias para cada captor, velocidade de transporte recomendada para o trecho principal dos dutos e as devidas

perdas de carga, a fim de determinar a potência do motor e ventilador, bem como as secções transversais dos dutos.

Dutos de secção retangular por apresentarem cantos vivos facilitam a

deposição de poeira, além de exigir motor de maior potência para manter o fluxo de ar com a eficiência necessária. Estes fatos em geral conduzem a um maior desgaste dos dutos, implicando em freqüentes manutenções do sistema.

É interessante a adoção de valores fixos (p. ex., raio de

curvatura r

_c

= 2D), o que significa que

todas as curvaturas serão

semelhantes

, dando um melhor aspecto arquitetônico a toda

instalação, mesmo que isso implique em um pequeno acréscimo

de perda de carga.

O dimensionamento deve prever que, além das

velocidades-limite recomendadas, as pressões estáticas em todas as bocas

de insuflamento sejam aquelas necessárias p/ vencer a perda de

carga de cada uma.

Métodos de cálculo:

1. Arbitragem de velocidades

(avaliação inicial ou dimensionamento dos dutos principais, não prevê o equilíbrio das p _estáticasnas bocas)

2. Igual perda de carga

(adotar uma perda “J-por unid. de compr. de duto” igual p/ todo os dutos, simplifica os cálculos. Não prevê o equilíbrio das p _estáticas nas bocas)

3. Recuperação da p

_estática (consiste em reduzir a veloc. de distrib. do ar na rede, de modo que a redução da p_din seja transformada em p_estat suficiente p/ vencer as perdas do percurso)

7 – Dimensionamento dos dutos de seção circular

pelo método de igual perda de carga

A) Escolhe-se (usando a recomendação-slide13) a velocidade nos vários trechos de modo que seja máxima nos troncos principais e reduzida nos ramais secundários;

B) Conhecendo-se a vazão em cada trecho pode-se determinar a seção transversal do duto e com esse valor obtém-se o diâmetro ou os lados do retângulo correspondente.

Exemplo: ( V = 8m/s; Q = 4m

3

_{/s )}

m

A

D



4



4

*

0

,

5



0

,

8





2

5

,

0

8

4

*

m

V

Q

A

V

A

Q













p

= 0,07 mmH

₂

O/m

(Ref.1, pg. 128)

Uso do

diagrama de

perda de carga por

atrito em mm H

₂

O/m

Exemplo : Ventilar um almoxarifado e uma fundição com área 200m

2

cada e pé direito de 4m. Deve-se instalar um duto principal do qual

saem 8 bocas de insuflamentos iguais, conforme o layout.

1. Cálculo das vazões 1.1 Almoxarifado Volume do recinto



_al



20

*

10

*

4



800

m

3 1.2 Renovações de ar recomendadas Recinto a ser ventilado Renovações p/h CFM p/pessoa Escritórios 6-20 10 Salas para conferência 25-30 40 Pequenas oficinas 8-12 Salas de depósito 2-15 Cozinhas 10-30 Garagens 6-30 Equipamentos mecânicos 8-12 Fundições 5-20 Pinturas e polimentos 18-22 Restaurantes 6-20 Sanitários 8-20

6 renovações horárias – cada uma durante 10min – através

das 4 bocas de insuflamento

min

/

80

min

10

800

3 ₃

m

m

ar

Q

_a





Cada boca insuflará: Q_bal = 20m3_/min

1.3 Oficina fundição

3

800m

fund





12 renovações horárias – 1 a cada 5min – através das 4 bocas

min

/

160

5

800

₃

m

ar

Q

_F





Cada boca insuflará:Q_bf = 40m3_/min

2. Seções dos dutos

2.1 Trecho A-B duto principal

Vazão: Q = Q_a + Q_f = 80 + 160 = 240m3_{/min = 14400m}3_{/h = 4m}3_/s Velocidade admissível: De acordo com tabela do slide 13: v = 8m/s

Área da seção: 4 5 , 0 / 8 / 4 3 ₂ D2 A m s m s m _{  }  m A D  4  2  0,8  

2.2 Trecho B-C do duto principal

Vazão: Q = 240 – (40 + 20) = 180m3_{/min = 10800m}3_{/h = 3m}3_/s

Velocidade admissível: como o trecho está um pouco afastado do ventilador, pode-se admitir uma velocidade menor, ex. v = 7m/s.

Área da seção: 3 ₂ 43 , 0 / 7 / 3 m s m s m V Q _{ } m D  4*0,43  0,75  p = 0,06mmH₂O/m

2.3 Trecho C-D do duto principal

Vazão: Q = 180 – 60 = 120m3_{/min = 7200m}3_{/h = 2m}3_/s

Velocidade admissível: adote-se, ex. v = 6m/s.

Área da seção: 2 3 3 1 / 6 / 2 m s m s m V Q _{ } m D 3 0,65 1 * 4    p = 0,05mmH₂O/m

2.4 Trecho D-E final do duto principal

Vazão: Q = 60m3_{/min = 3600m}3_{/h = 1m}3_/s

Valocidade admissível: adote-se, ex. v = 5m/s.

Área da seção: 2 3 2 , 0 / 5 / 1 m s m s m V Q   D  4*0,2  0,50m  p = 0,05mmH₂O/m

3. Trechos de derivação lateral (EM, DL, CK, e BJ)

Velocidade admissível: v = 3m/s.(Slide 13 – difusores ou bocas de

insuflamento) Área da seção: 3 ₂ 22 , 0 / 3 / 67 , 0 m s m s m V Q _{ } m D  4*0,22  0,50 



p = 0,02mmH

₂

O/m

Vazão: Q = 40m3_{/min = 2400m}3_{/h = 0,67m / s} 3600 2400 _{ 3}

4. Tomada de ar exterior (duto de aspiração – antes do ventilador)

Velocidade de “entrada de ar no duto”: adotar v = 4m/s (Slide 13).

Área da seção: 3 ₂ 1 / 4 / 4 m s m s m V Q _{ } m D  4*1 1,1 

Vazão total : Q = 240m3_{/min = 14400m}3_{/h =4m}3_/s

8 – Dutos de seção retangular

Em instalações de (VI) quando o pé direito é grande usa-se dutos

circulares. Caso contrário, usa-se dutos de seção retangular, com o

lado menor na vertical. Nos cálculos, usa-se o diâmetro equivalente:

25 , 0 625 , 0

)

(

)

*

(

*

30

,

1

b

a

b

a

D

_eq





(a e b em (m ou cm) para D em (m ou cm))

A) Dados (a, b) do duto. Qual o D_eq do tubo equivalente (mesma Q e p)? 25 , 0 625 , 0

)

(

)

*

(

*

30

,

1

b

a

b

a

D

_eq





B) Dado D do tubo, quais os (a, b) do duto equivalente (mesma Q e p)?

Ex.: D = 0,80 m  31,5” 

1) (60” x 15”) = (152,5 x 38,1) cm 2) (20” x 42”) = (50,8 x 106,68) cm

(Ref.1, pg.131)

Casos típicos:

Ex: Qual a perda de carga em um duto retangular de chapa de aço com

25 m de extensão e lados de 30 e 76 cm, com Q

_ar

= 1,8 m

3

_/s?

a = 30 cm e b = 76 cm D_eq = 1,3 ((0,3 x 0,76)0,625 _{/ (0,3 + 0,76})0,25) _{= 0,508 m}

Então: H = J x L = 0,15 mmH₂O/m x 25 = 3,75 mmH₂O Que equivale a 3.12 mcar cf. eq. do slide 5

Pelo uso do gráfico do slide 17, com (Q, v, D)--- J = 0,15 mmH2O

3,12 mcar 3,75 mmH₂O H2O L= 25 m

Q

= 1,8 m3_{/s (ar)}

_Q

v = Q /A = 1,8 / 0,2026 = 8,8 m/s tubo em U tubo piezométrico (duto) ref. de energia linha de energia

9 – Materiais usados nos Dutos

O fluido transportado pode ser

corrosivo ou / e abrasivo

o que definirá

o tipo de

material do duto

.

-

Chapas de aço galvanizado; - Chapas de aço inoxidável; - Chapas de cobre, alumínio.

Plásticos

São recomendados em dutos de exaustão de gases e vapores que

sejam agressivos ao aço e ao alumínio.

- PVC (cloreto de polivinil) (T< 50 ºC)

- PP (polipropileno) (T< 100 ºC)

- PRFV (plástico reforçado com fibra de vidro)

Tipos

PLENOS - (são executados na estrutura da construção / rebaixo de forro /

vãos de paredes; v< 1,7 m/s);

DUTOS de baixa pressão - (seção retangular; v< 10 m/s);

PEÇAS – são confeccionadas c/ juntas executadas c/ o próprio material, e

CRITÉRIO de PROJETO: um bom projeto das canalizações de ventilação

mecânica deve obedecer ao critério do MÍNIMO MOMENTO DE

TRANSPORTE DO AR ; ( Q x L )_MIN  economia na instalação e consumo de energia.

Chapas de aço

A espessura das chapas de aço galvanizadas para dutos de ventilação são especificadas por “classe de material I, II, III” e diâmetro.

Classe I – material não abrasivo (ex: exaustão de cabine de pintura, serraria, carpintaria, etc)

Classe II – material não abrasivo porém com altas C ou material abrasivo em baixa C (ex: exaustão de particulado de politrizes)

Classe III – material abrasivo em altas C (ex: britagem de rochas, chaminés de exaustão)

As peças especiais (cotovelos, reduções, curvas, etc) devem ser executadas em chapas mais espessas.

A NB – 10/1978 e a NBR 6401 – 12/1980 fornecem bitolas de chapas em Al e aço galvanizado para o fabrico de dutos retangulares e circulares (costura helicoidal e calandrado com costura longitudinal)