Dimensionamento de Sistema de Ventilação Exaustora para Captação de Serragem

1

Dimensionamento de Sistema de Ventilação Exaustora para

Captação de Serragem

SILVA, Arlei Marques (Unitri – arley_iub@htomail.com)

GUERRA, Clever Jesus Zárate (Unitri - czarate@bol.com.br)

RESUMO: O processo de beneficiamento de madeira utilizado para construção de telhados, portas portais, itens essenciais na construção de residências, é dividido em várias etapas: corte, desdobramento, aparelhagem, plainagem e lixamento. Todos esses processos geram uma grande quantidade de poeiras e cavacos que são lançados no ambiente de trabalho. Assim, o objetivo deste estudo é apresentar uma proposta de projeto de dimensionamento de um sistema de ventilação exaustora para captação do resíduo em uma indústria madeireira envolvendo desde os cálculos de dimensionamento dos dutos, escolha das coifas, perdas nas bifurcações e junções, escolha dos materiais corretos, cálculo de velocidade e vazão até orçamento e custo do projeto final. Os resultados mostraram que é possível o dimensionamento de sistemas de exaustão eficientes a um custo relativamente baixo.

PALAVRAS CHAVES: Indústria madeireira, Ventilação Industrial, Captação de resíduos.

1 INTRODUÇÃO

O Brasil com sua economia estável e com altos investimentos na área da construção civil tem aumentado cada dia mais o consumo de madeira em todo território nacional, usado em todas as etapas em uma construção civil, desde a alvenaria ao acabamento. Entretanto, seu processo de beneficiamento gera uma grande quantidade de resíduos (serragem, pó, maravalha e cavaco), ocasionando diversos transtornos no local de trabalho, pois seu descarte atual é feito de forma manual, gerando mais esforço para os funcionários, despesas com o frete, taxa de descarte no aterro sanitário, poeira no ambiente de trabalho, e incômodo aos vizinhos.

A instalação de um sistema de ventilação local exautora por armazenamento dos resíduos em um silo devidamente projetado, eliminando a contaminação (pois sairá das máquinas diretamente para o depósito), agregando valor ao subproduto e preservando as peças e equipamentos de

2

uma maneira geral. Dentre outros fatores, menciona-se, também e não menos importante, o aspecto da saúde humana no ambiente de trabalho e reaproveitamento dos resíduos como matéria prima para a fabricação de briquetes, camas ou adubos orgânicos.

Assim sendo, este estudo se justifica pela importância técnica e social e tem como objetivo propor um projeto de dimensionamento de um sistema de ventilação exaustora para captação do resíduo em uma indústria madeireira envolvendo desde os cálculos de dimensionamento dos dutos, escolha das coifas, perdas nas bifurcações e junções, escolha dos materiais corretos, cálculo de velocidade e vazão até orçamento e custo do projeto final.

Nas seções seguintes serão apresentados os principais conceitos para a contextualização do tema tratado.

2 VENTILAÇÃO

A grande maioria das operações e processos industriais geram uma grande quantidade de vapores, gases, fumos e poeiras produzidas, que são contaminantes que possuem uma alta toxicidade, não podendo ser dispersos em um ambiente de trabalho afetando diretamente os funcionários, e com isso gerando consequências em seus organismos (MACINTYRE, 1990).

A presença de ar sem contaminantes nos ambientes de trabalho é essencial para o metabolismo do homem, por ser fonte de oxigênio, porem o ar também é um veiculo que transporta as impurezas suspensas até a penetração e absorção no organismo, dessa maneira a ventilação nos ambientes de trabalho deve ser devidamente planejada de forma natural ou artificial, a fim de prevenir danos à saúde, segurança e bem estar aos trabalhadores (MESQUITA et al, 1977), conforme conceitos, a seguir:

a) Ventilação Natural - É a movimentação de ar controlado, através de aberturas projetadas para obter uma melhor eficiência, utilizando a movimentação natural dos ventos, que causam diferenças de temperatura e pressão. Fazendo com que o fluxo de ar entra e sai de um espaço confinado, ocasionando uma melhoria do ambiente, pelo controle da temperatura, pureza do ar, umidade e velocidade, (MESQUITA et al,

3

1977).

b) Ventilação Forçada - É a movimentação do ar forçada por meios mecânicos que promove um deslocamento de massa maior que a gravidade e a resistência dos materiais onde são transportados, podendo ser definidos como: geral diluidora ou local exaustora (MACINTYRE, 1990). Esta, por sua vez, se divide em:

• _{Ventilação Geral Diluidora - A ventilação geral diluidora (VGD)} promove uma redução na concentração dos contaminantes, insuflando ou exaurindo ar, misturando os poluentes com o ar limpo, diluindo antes de serem retirado do ambiente. A ventilação geral diluidora não impede a emissão dos poluentes no ambiente de trabalho podendo ser aplicada somente nas condições onde o poluente não deve estar em concentrações que exceda a capacidade de diluição adequada, a distancia dos trabalhadores com o ponto de geração deve ser o suficiente para assegurar a saúde, a toxidade do poluente deve ser baixa e o poluente é gerado de forma uniforme (MESQUITA et al, 1977).

• _{Ventilação Local Exaustora - A ventilação local exaustora} (VLE),possui um maior controle dos poluentes gerados em diversos campos de trabalho, pois o contaminante é removido diretamente no ponto onde é gerado, não havendo uma dissolução no ambiente, pois possuem diversos captores que atuam diretamente na fonte de geração do contaminante (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999).Segundo (MESQUITA et al,1977), um sistema de ventilação local exaustora possui o objetivo de proteção da saúde do trabalhador, e deve ser projetado a fim de obter a melhor eficiência e com o menor custo possível, utilizando os princípios da engenharia.

Seus componentes são divididos em quatro partes. (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999).

4

Captor: Onde o contaminante é sugado para o sistema, podendo variar devido à complexidade da maquina ou equipamentos onde são instalados, de forma simples ou complexa, pois a sua eficiência estará ligada diretamente com o sucesso ou falha na captação, tornando um componente importantíssimo.

Dutos: É responsável por interligar da fonte contaminante ao reservatório coletor, onde será depositado.

Ventilador: Fornece a energia responsável para produzir o deslocamento dos gases.

Coletor: Equipamento de controle de poluição, responsável por evitar a poluição atmosférica circunvizinha à indústria, armazenando o contaminante em seu interior.

3 INDUSTRIA MADEIREIRA

Segundo a ABIMCI, (2004), o Brasil é um dos maiores produtores mundiais de madeira serrada, sua produção gira em torno de 23,5 milhões de m³ por ano e seu mercado nacional consomem 85% de toda produção nacional, sendo 14,5 milhões m³ de madeira serrada tropical e 9 milhões de m³ de madeira serrada de pinus.

Após o desdobro das toras podem ser obtidos produtos de varias forma, como por exemplo, vigas, tabuas, caibros, ripas, ripões, pranchas, pontalete, dormentes, (BUAINAIN, BATALHA, 2007).

Devido à grande abundancia de matéria-prima presente em algumas regiões brasileiras, a utilização dos resíduos madeireiros é subestimada pelas indústrias produtoras, tornando um problema em muitas empresas por não receberem um tratamento adequado, gerando grandes volumes de resíduos que ficam sem nenhuma utilização, ocupando lugares indevidos e causando problemas ambientais, não sendo agregado valor ao subproduto, que possui um alto valor energético, podendo ser usado na cogeração de energia elétrica, tornando sustentável seu consumo (PEREIRA et al , 2007).

5

3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS

Segundo a (HILLIG et al, 2006) é classificado como resíduos todos os subprodutos gerados após o desdobro e beneficiamento da madeira, sendo divididos em três tipos:

• _{Serragem – resíduo derivado no desdobro e corte da madeira com a} utilização de serras.

• _{Maravalha – gerado no processo de beneficiamento e desengrosso,} onde é retirada toda superfície áspera, com a utilização de plaina de mesa e plaina desengrossadeira.

• _{Lenha – resíduo maior, que são classificados como, cavaco, aparas,} refilos, sendo gerados em todos os processos de corte, chanfros, entalhos.

A figura 1 mostra as imagens destes tipos de resíduos.

Figura 1 – Classificação de resíduo madeireiro

4 METODOLOGIA

Este trabalho de dimensionamento utilizou como base a Equação da Continuidade no dimensionamento de dutos para o escoamento do resíduo, traduzida pela equação de Bernoulli, desde sua captação até seu descarte (MACINTYRE, 1990).

A equação define a vazão volumétrica a ser transportada, utilizando velocidade média de escoamento do ar e a área transversal do duto que será dimensionado.

6

(1) – vazão do ar [m³/s]

– área transversal [m²]

– velocidade do contaminante [m/s]

4.1 DIMENSIONAMENTO DOS DUTOS

Para o dimensionamento de tubos circulares foi necessário a utilização de dados obtidos pela equação (1), a vazão do ar (m³/s) e a velocidade do contaminante (m/s), definida pela seguinte fórmula, (MACINTYRE, 1990).

(2)

D- diâmetro do tubo [m]

4.2 PERDAS DE PRESSÃO NAS TUBULAÇÕES

Para calcular as perdas de energia devido ao atrito em dutos circulares, é necessário utilizar a equação de Darcy-Weisbach, devido os materiais que compõe os dutos possuir rugosidade definida (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999).

(3) – perda de pressão total [Pa]

݂

– comprimento do duto [m]

ρ- massa especifica do fluido [Kg/m³] – velocidade do ar [m/s]

Para calcular o fator de atrito em tubos circulares (݂), foi necessário conhecer a rugosidade relativa das paredes dos dutos, o diâmetro utilizando a fórmula (2), e o coeficiente de viscosidade cinética do material que será transportado (serragem) que segundo INCROPERA, (2009) é igual a 1,589x10 -5

.

Primeiramente devemos definir o tipo de escoamento, Reynolds em 1833 definiu em dois tipos: escoamento laminar, escoamento turbulento, sendo

7

que o escoamento turbulento é uma característica proveniente do escoamento, não do fluido, pois as partículas entram em movimento caótico macroscópico, devido ao aumento da velocidade criando movimentos transversais nos fluidos, dissipando energia e irregularidade nos trajetos macroscópicos (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999).

Definindo:

(4) – número de Reynolds

– velocidade média do escoamento [m/s] –diâmetro da tubulação

-coeficiente de viscosidade cinética [m²/s]

Assim definiu-se o fator de atrito [݂] para escoamentos turbulentos que possuem vazão > 4000fpm, com a seguinte fórmula:

(5) Onde: (6) (7) (8)

ε

4.3 PERDAS DE PRESSÃO NAS COIFAS

Os captores devem ser colocados de forma estratégica ao qual utilizará o fluxo dos poluentes a certa velocidade na direção do captor receptor, facilitando assim sua exaustão, conforme figura 2 (MESQUITA et al, 1977).

8 Figura 2 – Captor receptor (Fonte: (MESQUITAet al, 1977)

Segundo a American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), as perdas de cargas nas coifas são dadas de forma experimental, variando de acordo com a natureza/tipo de máquina a uma vazão constante de 10 m/s. A seguir são exemplificados alguns equipamentos:

a) Serra circular

(9) b) Lixadeira horizontal

(10) c) Plaina, Plaina desengrossadeira, Tupia de bancada.

(11) Sendo:

e (12)

Vd =

9

4.4 PERDA DE CARGAS NAS BIFURCAÇÕES EM Y E CURVAS 90°.

As bifurcações em Y devem ser feitas de forma apropriada, para não ocorrer perda de pressão como na figura 3.

Figura 3 – Bifurcações em Y. Fonte: (MACINTYRE, 1990)

Devido à necessidade de reduções, juntamente com junções ligando a tubulação central, ocorre à perda de energia, sendo necessário estabelecer quais são as perdas de carga nos acessórios, utilizando o coeficiente de perda de carga nos acessórios (K), obtido de forma experimental, estabelecido através do ângulo em graus, definido pela figura 4 (MACINTYRE, 1990).

10

As curvas realizam mudança na direção do fluido, gerando perda de energia mecânica convertida em energia térmica, a qual é encontrada através da formula (9), variando o seu (K), que é obtido através da figura 5 (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999).

Figura 5 – Coeficiente de perda de carga nas curvas de 90º. Fonte: (CLEZAR, NOGUEIRA, 1999)

Definido o coeficiente de perda de carga nas curvas e bifurcações, utiliza-se a fórmula (13) para determinar a perda de carga, sendo necessário obter o valor da densidade do ar estabelecido por ACGIH, (1998) em 1,2 kg/m³.

(13)

V = velocidade média no conduto, a jusante da redução (m/s);

5 ESTUDO DE CASO

A AGM Madeiras LTDA está situada na cidade de Itumbiara – GO, em funcionamento desde 2007 e especializada na venda de madeiras beneficiada para alvenaria, telhados, portas e portais. Conta com uma equipe de 10

11

funcionários e sua venda mensal é em torno 100 m³ de madeira gerando 12 m³ de resíduos e não possui um sistema de captação de resíduos.

A indústria possui cinco máquinas sendo: (1) Serra circular, (2) Plaina desengrossadeira, (3) Tupia de bancada, (4) Plaina de mesa, (5) Lixadeira horizontal.

Visando eliminar todos os resíduos gerados na indústria, será realizado o dimensionamento de um sistema de ventilação local exaustora que retire e deposite num silo.

ACGIH, (1998) definiu a velocidade mínima para exaustão da serragem em 4000 Pés/mim equivalente a 20,32m³/s.

A vazão volumétrica (m³/s) varia de acordo com o tipo de máquina, onde é definida por ACGIH, conforme mostrado nas tabelas 1 e 2.

Tabela 1 – Definição da vazão volumétrica para plainas (a)e serra circular (b)

(a) (b)

Fonte: (ACGIH, 1999)

Tabela 2 – Definição da vazão volumétrica para plainas (a)e serra circular (b)

(a) (b)

12

A tabela 3 define a vazão volumétrica para a exaustão das partículas geradas em cada máquina da indústria madeireira.

Tabela 3 – Vazão volumétrica das máquinas na indústria madeireira Vazão Volumétrica Nº Máquina [cfm] [m³/s] 1 Lixadeira horizontal 900 0,4248 2 Plaina 550 0,2596 3 Tupia de bancada 600 0,2832 4 Plaina desengrossadeira 800 0,3776 5 Serra circular 350 0,1652

Utilizando dados iniciais obtidos na tabela 3, iniciou-se o cálculo de dimensionamento dos dutos.

Substituindo os valores da tabela 3 na fórmula (2) obteve-se as dimensões dos dutos de cada máquina. Estes valores são mostrados na tabela 4.

Tabela 4 – Dimensões nos trechos e velocidade real do contaminante

Trechos Vazão do ar [m³/s] Vel. do contaminante [m/s] Diâmetro [m] Diâmetro [m²] Velocidade real do contaminante [m/s] 1 –A 0,4248 20,32 0,16315 0,02091 19,84 2 – B 0,2596 20,32 0,12754 0,01278 20,49 3 – C 0,2832 20,32 0,13321 0,01394 22,36 4 – D 0,3776 20,32 0,15382 0,01858 20,70 5 – E 0,1652 20,32 0,10174 0,00813 20,38 B- F 0,2596 20,32 0,12754 0,01278 20,49 A – F 0,4248 20,32 0,16315 0,02091 19,84 F – G 0,6844 20,32 0,20708 0,03368 21,10 C –G 0,2832 20,32 0,13321 0,01394 22,36 D – H 0,3776 20,32 0,15382 0,01858 20,70 G – H 0,8259 20,32 0,22749 0,04064 20,12 H – I 1,2035 20,32 0,27461 0,05923 19,63 E – I 0,1652 20,32 0,10174 0,00813 20,38 I 1,3687 20,32 0,29285 0,06736 20,42

Devido à padronização do diâmetro da tubulação que são comercializadas é necessário dimensionar para os diâmetros reais, os quais

13

são encontrados a disposição no mercado. A tabela 5 mostra os resultados finais de acordo com os padrões ISO (Beyer, 2005).

Tabela 5 – Dimensionamento para diâmetros reais

Trechos Diâmetro real [m] Diâmetro real [Pol] Comprimento [m]

A 0,1651 6,5 4,5 B 0,127 5 2,5 C 0,127 5 2,5 D 0,1524 6 2,5 E 0,1016 4 2,5 F 0,2032 8 2,45 G 0,2286 9 2,65 H 0,2794 11 1,65 I 0,2921 11,5 0,7

5.1 PERDA NOS DUTOS

Substituindo os valores na fórmula (3) encontra-se as perdas devido ao atrito, encontrado na tabela 6.

Tabela 6 – Perda de carga nos dutos devido ao atrito

Trechos a b c Re Comprimento [m] [Pa]

A 0,036 10,494 0,848 235537,09 0,036 4,5 202,54 B 0,041 12,459 0,893 164486,03 0,041 2,5 203,86 C 0,040 12,223 0,888 187418,24 0,040 2,5 238,94 D 0,038 11,473 0,871 200381,43 0,039 2,5 162,83 E 0,042 13,085 0,907 145325,46 0,043 2,5 229,68 F 0,034 9,658 0,827 288083,36 0,034 2,45 92,25 G 0,034 9,658 0,827 288083,36 0,034 2,65 93,79 H 0,032 8,891 0,806 339231,18 0,032 1,65 46,36 I 0,031 8,585 0,797 361936,47 0,032 0,7 21,75

14

5.2 PERDA DE CARGA NAS COIFAS

Utilizando a velocidade média de 10 m/s definida por ACGIH nas fórmulas (9), (10), (11) e (12) foi estabelecida as perdas nas coifas (tabela 7).

Tabela 7 – Perda de carga nas coifas

Nº Máquina Vs [m/s] VPs VPd ∆Pc [Pa] 1 Lixadeira horizontal 10 60 236,86 94,74 2 Plaina 10 60 251,98 122,99 3 Tupia de bancada 10 60 299,88 134,96 4 Plaina desengrossadeira 10 60 257,1 124,27 5 Serra circular 10 60 245,84 168,26

5.3 PERDAS NAS BIFURCAÇÕES Y

Utilizando a fórmula (13), obtemos as perdas de carga nas bifurcações, com os valores da velocidade média obtidas pela tabela 2, juntamente com a densidade da água e o coeficiente (k) para ângulos de 30º obtidos na figura 4.

Tabela 8 – Perda de carga nas bifurcações Y

Bifurcações K = 30⁰ V [m/s] ρ ∆P [Pa]

AB - F 0,18 19,87 1,2 42,64

GD - H 0,18 20,12 1,2 43,71

HE - I 0,18 19,63 1,2 41,61

5.4 PERDAS NAS CURVAS 90°

Substituindo o coeficiente (k) obtido pela tabela 5, encontrou-se o total de perda na curva A.

Tabela 9 – Perda de carga na curva 90º

Curva Raio [m] Diâmetro [m] K V [m/s] ρ ∆P [Pa]

A 0.381 0,1905 0,27 19,87 1,2 63,96

6 RESULTADOS

Tabela 10 – Resultados

Total de perdas [Pa] 2129,14

Velocidade do contaminante [m/s] 20,42

Pressão em mmca 217,25

15

6.1 SELEÇÃO DO VENTILADOR

Com os resultados obtidos na tabela 10, o ventilador selecionado deve gerar uma vazão volumétrica maior ou igual 4927,32 m³/h e vencer a perda de carga de 2129,14 Pa.

Tabela 11 – Seleção do ventilador

Tipo RA

Modelo 900

Classe L

Potência [cv] 5,1

Vel. Descarga [m/s] 25,12

16

6.2 PROJETO

O projeto foi elaborado atendendo todas as especificações e medidas encontradas.

17

6.3 ORÇAMENTO DE CUSTO

Tabela 12 - Orçamento

Componente Valor unit. TOTAL

Ventilador OTAM RA 900 Classe l R$ 8800,00 R$8800,00 15 m² CHAPA GALVANIZADA LISA N.26 0.50mm - 4.0kg/m² R$ 5,50/Kg R$330,00

30 kg FERRO QUADRADO 3/4" - 2.846kg/m R$ 6,06/Kg R$181,80

Instalação R$1500,00 R$1500,00

Imprevistos R$ 400,00 R$400,00

Total R$ 11211,80

6.4 GASTO COM LIMPEZA

O descarte realizado na indústria é feita de forma manual gerando gastos mensais apresentados na tabela 13.

Tabela 13 - Gastos

Despesas mensais Valor

Carregamento R$ 360,00

Frete transporte R$ 240,00 Taxa aterro sanitário R$ 160,00

Manutenção R$ 120,00

Total R$ 880,00

6.5 ANALISE

Portanto é possível realizar o dimensionamento e a instalação do sistema de exaustão de forma a atender todas as dimensões e padrões apresentados, sendo um projeto viável devido ao retorno do investimento ser pago em 12 meses, e a saúde humana dos trabalhadores não será prejudicada, mantendo o local de trabalho limpo e seguro e os resíduos poderão ser comercializados, pois não será contaminado por outras substâncias, gerando uma renda extra para indústria e não contaminando o meio ambiente.

18

7 CONCLUSÂO

Portanto o dimensionamento de um sistema de ventilação local exaustora em uma indústria madeira deve obedecer todas as regras da engenharia para obtenção de uma melhor eficiência no processo, juntamente com a redução de custo, pois o beneficio não será somente do proprietário, mas dos funcionários no ambiente de trabalho, retirando todo o incomodo e os riscos a saúde, e os resíduos podem ser utilizados para outros fins, eliminado todo tipo de contaminação ao meio ambiente e gerando renda extra com a comercialização de um resíduo.

BIBLIOGRAFIA

ABIMCI, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DE MADEIRA PROCESSADAMECANICAMENTE. Madeira Processada Mecanicamente - estudo setorial 2001. Produtos de madeira sólida no Brasil. Disponível em:<http://www.abimci.com.br/port/03Dados/0301EstSet2001/0301FrameEstSe t.html?Principal=03010502Serr.html>. Acesso em: 10set. 2012.

ACGIH, Industrial Ventilation Committee. Industrial Ventilation A Manual of Recommended Practice for Design. 23ª Ed.. Cincinnati: American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH®), 1998.

BEYER, P. O. Exaustão Local Industrial. Poligrafo. DEMEC, UFRGS. Porto Alegre, 2005

BUAINAIN Antônio Márcio; BATALHA Mário Otávio Brasil. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Cadeia produtiva de madeira / Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Secretaria de Política Agrícola, Instituto Interamericano de Cooperação para a Agricultura. – Brasília : IICA : MAPA/SPA, 2007.

CLEZAR, C. A.; NOGUEIRA, A. C. R. Ventilação Industrial. 1ª Ed.. Florianópolis: Editorada UFSC,1999.

19

HILLIG, Éverton; SCHNEIDER, Vânia Elisabete; WEBER, Cristiane; TECCHIO Ramon Diego. Resíduos de madeira da indústria madeireira – caracterização e aproveitamento. XXVI ENEGEP - Fortaleza, CE, Brasil, 2006.

Hummel, A. C.;Alves, M. V. da S; Pereira, D; Veríssimo, A;& Santos, D. (2010). A atividade madeireira na Amazônia brasileira: produção, receita e mercados (p. 20). Belém/Brasília: Imazon e Serviço Florestal Brasileiro - SFB.

INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P.; BERGMAN, T. L.; LAVINE, A. S. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ª Ed.. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

MACINTYRE, Archibald Joseph. Ventilação industrial e controle da poluição. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1990.

MESQUITA, A.L.S.; GUIMARÃES, F.A.; NEFUSSI, N.. Engenharia de Ventilação industrial. São Paulo: Edgard Blucher, 1977.

PEREIRA, Andréa Franco; CARVALHO, Laura de Souza Cota; PINTO, Ana Carolina de Oliveira. Resíduo de madeira: limites e possibilidades de seuuso como matéria-prima alternativa, Anhembi, 9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design, n .1. 2007. Disponível em <http://blogs.anhembi.br/congressodesign/anais/artigos/69847.pdf>. Acesso em: 19 ago. 2012