UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
MAX PAULO DE PELLEGRIN ZAMBRA
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE VENTILAÇÃO EXAUSTORA EM TÚNEL AGRÍCOLA
Ijuí 2019
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE VENTILAÇÃO EXAUSTORA
EM TÚNEL AGRÍCOLA
Trabalho de Conclusão de Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia de Segurança do Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho.
Orientador: Roger Schildt Hoffman
MAX PAULO DE PELLEGRIN ZAMBRA
SIMULÇÃO COMPUTACIONAL DE VENTILAÇÃO EXAUSTORA EM TÚNEL AGRÍCOLA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho, do Departamento de Ciências Exatas e Engenharias, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho.
Ijuí, 14 de Maio de 2019
Prof. Roger Schildt Hoffmann Mestre pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Orientador Prof. Caroline Raduns Coordenadora do Curso de Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. Edomir Marciano Schmidt Mestre pela Universidade de Passo Fundo/UPF
Dedico esse trabalho à minha família, como gratidão por todo apoio oferecido nesta conquista.
AGRADECIMENTOS
A Deus e aos meus pais Paulo e Nelite, pelo incentivo durante o período de estudo para chegar a conclusão da tão sonhada Pós-Graduação e ao apoio e dedicação para que a realização deste trabalho não fosse apenas mais um trabalho concluído, mas que através da pesquisa e o conhecimento baseado em estudos, me tornasse um profissional melhor preparado, mais seguro e mais qualificado para as decisões a serem tomadas após a conclusão deste curso;
Ao meu irmão e colega de profissão Douglas, pela ajuda nas horas de dificuldade e momentos de dúvida, sempre me incentivando através da troca de ideias e conhecimentos;
À minha namorada Ana, pelo carinho e paciência em momentos em que estive ausente, mergulhado nos estudos e nos sábados com aulas presenciais, sempre esteve ao meu lado com uma palavra de apoio e incentivo na hora certa;
Ao meu orientador, Prof. Eng. Roger Hoffmann, pelo apoio e incentivo na escolha do assunto da pesquisa e pela disponibilidade de tempo dedicado, ajuda e orientação na elaboração deste Trabalho de Conclusão de Curso;
À Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, onde os conhecimentos adquiridos, construídos e reconstruídos com os professores durante a graduação, os quais formaram a base técnica para que este trabalho pudesse ser desenvolvido.
“A arte de “engenhar” consiste em transformar números, cálculos, fórmulas e desenhos em realidade”
RESUMO
ZAMBRA, Max Paulo de Pellegrin Zambra. Simulação Computacional de Ventilação Exaustora em Túnel Agrícola. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Panambi, 2019.
O Brasil teve grande desenvolvimento agrícola a partir da década de oitenta devido ao grande aumento da demanda de alimentos a nível mundial. Apesar do aumento de tecnologia nas técnicas de cultivo e implementos, a capacidade de armazenamento estático também teve que ser aumentada de forma rápida, sendo as edificações construídas sem o devido cuidado com os meios de segurança durante a operação deste modelo de unidade. São diversos os riscos diretos e indiretos em unidades de armazenagem, riscos provenientes de trabalho em altura, espaço confinado, explosões e agentes químicos tóxicos. Há ainda uma carência no Brasil de fiscalização neste tipo de ambiente, sendo hoje o órgão mais ativo na vistoria, tanto em fase de projeto como após a execução, o Corpo de Bombeiros Militar. O sistema de exaustão de túnel agrícola é dimensionado de acordo com uma taxa mínima de renovações de ar conforme as normativas em vigor. Este trabalho visa validar este dimensionamento através de simulação computacional verificando o sistema modelado.
ZAMBRA, Max Paulo de Pellegrin. Computational Simulation of Exaust Ventilation in Agricultural Tunnel. 2019. Course Completion Work. Post-Graduation in Occupational Safety Engineering, Regional University of the Northwest of the State of Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, Panambi, 2019.
Brazil has had great agricultural development since the eighties because of the great increase in the demand for food worldwide. Despite increased technology in cultivation techniques and implements, static storage capacity also had to be increased rapidly, with buildings being constructed without due care with the safety means during the operation of this unit model. There are several direct and indirect hazards in storage units, risks arising from work at height, confined space, explosions and toxic chemical agents. There is still a shortage in Brazil of surveillance in this type of environment, being today the most active organ in the survey, both in the design phase and after the execution, the Military Fire Brigade. The agricultural tunnel exhaust system is dimensioned according to minimum rate of air renewal according to the regulations in force. This work aims to validate this sizing through computational simulation by verifying the modeling system.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Poço de Elevador de Grãos (Espaço confinado aberto) ... 18
Figura 2 - Túnel de unidade agrícola (Espaço confinado fechado) ... 19
Figura 3 - Túnel antigo Unidade agrícola (Espaço confinado fechado) ... 20
Figura 4: Exemplo de coifa de captação de pó instalada junto ao registro ... 24
Figura 5 Sinalização para identificação de espaço confinado ... 25
Figura 6 – Equipamento de medição de gás portátil ... 25
Figura 7: Insuflação mecânica e exaustão natural ... 30
Figura 8: Insuflação natural e exaustão mecânica ... 30
Figura 9: Insuflação e exaustão mecânica ... 31
Figura 10: Modalidades construtivas dos rotores dos ventiladores ... 33
Figura 11: Componente a ser analisado ... 40
Figura 12: Escolha do domínio ou volume de controle ... 40
Figura 13: Condições de contornos do domínio ... 41
Figura 14: Resultados obtidos ... 41
Figura 15: Etapas de processamento no CFX ... 42
Figura 16: Discretização da estrutura cartesiana (a), estrutura generalizada (b) e não estruturada (c) ... 43
Figura 17 - Modelo 3D Túnel – Dimensões gerais ... 44
Figura 18 - Modelo 3D Túnel ... 45
Figura 19 – Vista do Túnel ... 46
Figura 20 – Modelo de volume de ar ... 47
Figura 21 – Seção principal túnel ... 48
Figura 22 – Esquema do Projeto (Project Schematic) ... 50
Figura 23 – Geometria importada em formato .STEP para o editor DesignModeler ... 51
Figura 24 – Faces com velocidade zero na superfície da parede ... 52
Figura 25 – Malha ... 52
Figura 26 – Malha face do exaustor ... 53
Figura 27 – Condições iniciais insuflação natural e exaustão mecânica ... 53
Figura 28 – Configurações de análise... 54
Figura 29 – Definição de execução ... 55
Figura 30 – Gráfico de convergência de simulação ... 56
Figura 34 – Linhas de corrente a 15s – simulação 60s ... 59
Figura 35 – Gráfico de volume CO2 a 15s - simulação de 60s ... 59
Figura 36 – Gráfico de volume CO2 a 30s - simulação de 60s ... 60
Figura 37 – Linhas de corrente a 30s – simulação de 60s ... 60
Figura 38 – Gráfico de volume CO2 a 45s - simulação de 60s ... 61
Figura 39 – Linhas de corrente a 45s – simulação de 60s ... 61
Figura 40 – Gráfico de volume CO2 a 60s - simulação de 60s ... 62
Figura 41 – Linhas de corrente a 60s – simulação de 60s ... 62
Figura 42 – Gráfico volume de CO2 x tempo (ponto a 2 m do fundo do poço de elevador) – simulação de 60s ... 63
Figura 43 – Gráfico de volume CO2 a 0s (condição inicial) - simulação de 5min ... 63
Figura 44 – Gráfico de volume CO2 a 4s - simulação de 5min ... 64
Figura 45 – Linhas de corrente a 4s – simulação 5min ... 64
Figura 46 – Gráfico de volume CO2 a 60s - simulação de 5min ... 65
Figura 47 – Linhas de corrente a 60s – simulação 5min ... 65
Figura 48 – Gráfico de volume CO2 a 120s - simulação de 5min ... 66
Figura 49 – Linhas de corrente a 120s – simulação 5min ... 66
Figura 50 – Gráfico de volume CO2 a 180s - simulação de 5min ... 67
Figura 51 – Linhas de corrente a 180s – simulação 5min ... 67
Figura 52 – Gráfico de volume CO2 a 240s – simulação de 5min ... 68
Figura 53 – Linhas de corrente a 240s – simulação 5min ... 68
Figura 54 – Gráfico de volume CO2 a 300s - simulação de 5min ... 69
Figura 55 – Linhas de corrente a 300s – simulação 5min ... 69
Figura 56 – Gráfico volume de CO2 x tempo (ponto a 2 m do fundo do poço de elevador) – simulação de 5min ... 70
Figura 57 – Detalhe de adição de ponto adicional para exaustor ... 71
Figura 58 – Isométrico condições iniciais insuflação e exaustão mecânica ... 72
Figura 59 – Vista lateral condição inicial insuflação e exaustão mecânica... 72
Figura 60 – Gráfico de volume CO2 a 0s (condição inicial) – 2ª simulação de 5min ... 73
Figura 61 – Gráfico de volume CO2 a 4s – 2ª simulação de 5min... 73
Figura 62 – Linhas de corrente a 4s – 2ª simulação 5min ... 74
Figura 64 – Linhas de corrente a 60s – 2ª simulação 5min ... 75
Figura 65 – Gráfico de volume CO2 a 120s – 2ª simulação de 5min ... 75
Figura 66 – Linhas de corrente a 120s – 2ª simulação 5min ... 76
Figura 67 – Gráfico de volume CO2 a 180s – 2ª simulação de 5min ... 76
Figura 68 – Linhas de corrente a 180s – 2ª simulação 5min ... 77
Figura 69 – Gráfico de volume CO2 a 240s – 2ª simulação de 5min ... 77
Figura 70 – Linhas de corrente a 240s – 2ª simulação 5min ... 78
Figura 71 – Gráfico de volume CO2 a 300s – 2ª simulação de 5min ... 78
Figura 72 – Linhas de corrente a 300s – 2ª simulação 5min ... 79
Figura 73 – Gráfico volume de CO2 x tempo (ponto a 2 m do fundo do poço de elevador) – 2ª simulação de ... 79
Tabela 1 - Fragmento Tabela quantidade de acidentes do trabalho, por situação do registro e motivo, segundo a Classificação Nacional de Atividades Econômicas (CNAE), no Brasil – 2015/2017 ... 20 Tabela 2 - Fragmento Tabela Quantidade de acidentes do trabalho liquidados, por consequência, segundo a Classificação Nacional de Atividades Econômicas (CNAE), no Brasil – 2015/2017 ... 21 Tabela 3 - Resumo de Requisitos Técnicos e Obrigatórios ou Recomendados para Certificação de Unidades Armazenadoras em Ambiente Natural ... 27 Tabela 4 – Necessidade de ar externo para diluição de odores corporais ... 33 Tabela 5 – Taxa de renovações de ar para os diversos ambientes conforme ASHRAE – American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning, Guide na Data Book ... 34 Tabela 6 – Tabela de Referência de exaustores axiais Ventisilva - trifásicos ... 48 Tabela 7 – Tabela de Recursos Ansys Academic 19.2 ... 49
LISTA DE SIGLAS
CBM Corpo de Bombeiros Militar
3-D Três Dimensões
CBM-RS Corpo de Bombeiros Militar do Rio Grande do Sul CFD Dinâmica dos Fluidos Computacional
CFX Fluxo de Fluido Computacional
CH4 Metano
CNAE Classificação Nacional de Atividades Econômicas
CO Monóxido de Carbono
CO2 Dióxido de Carbono
CPU Unidade Central de Processamento
GB Gigabytes
H2S Sulfeto de Hidrogênio
IGES Arquivo de Especificação Inicial de Intercambio Gráfico INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
NO2 Dióxido de Nitrogênio
NR Norma Regulamentadora
O2 Oxigênio
OCP Organismo de Certificação de Produto
pe Pressão externa
pr Pressão no recinto
Qent Vazão de ar insuflado
Qsaída Vazão de ar exaurido
RAM Memória de acesso aleatório
RT Resolução Técnica
STEP Arquivo padrão para o intercâmbio de dados do produto TLV Valor limite de tolerância
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 OBJETIVOS ... 17
1.1.1 Objetivo Geral ... 17
1.1.2 Objetivo Específico ... 17
1.2 METODOLOGIA ... 17
2 ASPECTOS DE SEGURANÇA DO TRABALHO ... 18
2.1 ESPAÇO CONFINADO ... 18
2.1.1 Riscos em Espaços Confinados ... 19
2.1.2 Intoxicação por Gases Provenientes de Grãos ... 21
2.2 EXIGÊNCIAS NORMATIVAS PARA ESPAÇOS CONFINADOS ... 23
2.2.1 Resolução Técnica CBMRS N.º 22 ... 23
2.2.2 NR 33 - Segurança e Saúde nos Trabalhos em Espaços Confinados ... 24
2.2.3 NR 31 Segurança e Saúde no Trabalho Agricultura, Pecuária Silvicultura, Exploração Florestal e Aquicultura. ... 26
2.2.4 Instrução Normativa nº 29, de 8 de junho de 2011... 27
3 SISTEMAS DE VENTILAÇÃO ... 28
3.1 VENTILAÇÃO INDUSTRIAL ... 28
3.1.1 Sistema de Ventilação Local Exaustora ... 28
3.1.2 Sistema de Ventilação Geral Diluidora ... 29
3.1.2.1 Insuflação Mecânica e Exaustão Natural ... 29
3.1.2.2 Insuflação Natural e Exaustão Mecânica ... 30
3.1.2.3 Insuflação Mecânica e Exaustão Mecânica ... 31
3.1.3 Ventiladores ... 32
3.1.3.1 Tipos de Ventiladores ... 32
3.1.4 Condições que devem ser consideradas ... 33
3.1.5 Ventilação Industrial Diluidora ... 35
3.1.5.1 Taxa de Ventilação ... 37
4 DINÂMICA DOS fLUIDOS COMPUTACIONAL ... 39
4.1 DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL ... 39
4.2 MALHA DE VOLUMES FINITOS ... 42
5 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE EXAUSTÃO PARA TÚNEL 44 5.1 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA... 44
5.2 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL... 49
5.2.1 Software Utilizado na Simulação CFD ... 49
5.2.2 Definição do Sistema de Analise... 50
5.2.3 Geometria ... 50
5.2.4 Malha ... 51
5.2.5 Configurações ... 53
5.2.6 Solução ... 55
6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 57
6.1 MODELO COM SIMULAÇÃO DE 60S ... 57
6.2 MODELO DE SIMULAÇÃO DE 5MIN ... 63
6.3 ALTERAÇÃO DO SISTEMA DE EXAUSTÃO ... 70
CONCLUSÃO ... 81
__________________________________________________________________________________________
1 INTRODUÇÃO
O Brasil está hoje entre os maiores produtores de cereais do mundo, suprindo seu consumo no mercado interno e exportando boa parte de sua produção. O principal importador de soja Brasileiro é a China, um grande produtor, porém, não atende à demanda de sua numerosa população.
O apogeu da produção agrícola Brasileira se deu nos meados da década de setenta, forçando a edificação de unidades armazenadoras para receber, pré-beneficiar, armazenar e escoar grande capacidade de produção Nacional.
Este modelo de unidade agrícola atende à necessidade industrial das atividades de grãos, porém, foram edificadas sem dar atenção necessária a riscos gerados na sua operação: riscos de execução de trabalho em altura, espaço confinado, riscos elétricos e, todos agravados pela geração de poeiras explosivas e agentes químicos tóxicos.
O Brasil possui trinta e sete Normas Regulamentadoras que regem as condições de trabalho com obrigações, direitos e deveres que devem ser cumpridos por empregadores e trabalhadores. Nestas, aplicando norma específica para execução de trabalho em altura, espaço confinado como também para forma construtiva de equipamentos para agroindústria.
Não há capacidade de fiscalização necessária para atender a demanda de agroindústrias, agravado ainda pelo fato de muitos dos acidentes em unidades armazenadoras não serem registrados.
Atualmente, o grande contribuinte na fiscalização de unidades agrícolas tem sido os CBM (Corpo de Bombeiros Militar). Devido ao volume de acidentes atendidos pelos socorristas do CBM nos últimos anos, o qual vem desenvolvendo e melhorando normas específicas para unidades agrícolas. O departamento técnico do CBM analisa o atendimento de itens de segurança já em fase de projeto e posterior vistoria in loco, verificando se todas as medidas de segurança estão atendidas na edificação.
Esta forma de fiscalização do CBM forçou os fornecedores de Agroindústrias a já preverem medidas coletivas de proteção de seus equipamentos. Estas medidas devem procurar atender às normativas mais restritivas dos CBM’s. Unidades antigas também devem ser regularizadas e vistoriadas pelo CBM para renovação de alvará de funcionamento.
As normas em vigor regulamentam que os espaços confinados e semi confinados sejam dotados de sistema de exaustão ou ventilação. Sistemas dimensionados através de taxas mínimas de ventilação de acordo com o tipo de ambiente.
___________________________________________________________________________
Ferramentas de dinâmica dos fluidos computacionais (CFD) têm sido muito utilizadas nos últimos anos. São ferramentas muito difundidas no meio cientifico, com resultados bastante confiáveis.
Estas ferramentas aplicadas em faze de projeto auxiliam através de resultados bastante precisos que falhas sejam reconhecidas e corrigidas nesta fase, evitando futuros retrabalho na fase de execução.
1.1 OBJETIVOS
Objetivo Geral 1.1.1
Tem-se como objetivo geral o entendimento do risco de geração de gases tóxicos em túnel agrícola e a neutralização destes riscos através de sistema de ventilação conforme normativa do CBM-RS (Corpo de Bombeiro Militar do Rio Grande do Sul).
Objetivo Específico 1.1.2
Com base na revisão bibliográfica objetiva-se desenvolver o dimensionamento de sistema de ventilação para túnel agrícola, prevendo a diminuição de risco de Gás asfixiante CO2 (Dióxido de Carbono) para níveis normais para a respiração humana.
O dimensionamento do sistema de ventilação será baseado na Taxa de Ventilação normatizada pela RT22/2019 (Resolução Técnica) do CBM-RS sendo a sua eficiência validada por simulação computacional conforme os dados calculados.
1.2 METODOLOGIA
Para serem atingidos os objetivos descritos no item anterior, foi realizada pesquisa bibliográfica em normas e literatura sobre o tema, sendo compilados os pontos relevantes sobre o tema, formando uma revisão bibliográfica. Com os dados teóricos coletados na revisão, será realizado o dimensionamento de sistema de ventilação conforme normativa do CBM-RS; após, será confeccionado modelo de túnel padrão em CAD (Desenho assistido por computador) para posterior validação do sistema de ventilação no Software Ansys.
__________________________________________________________________________________________
2 ASPECTOS DE SEGURANÇA DO TRABALHO
2.1 ESPAÇO CONFINADO
Sendo chamada a atenção pelo próprio nome “confinado”, o trabalho, quando realizado neste tipo de local, deve-se dar a máxima atenção, porém por desconhecimento do que seja realmente um espaço confinado, acabam ocorrendo diversos acidentes nestes ambientes.
No que diz respeito a sua definição, hoje o CBM, órgão que fiscaliza com maior rigidez a característica deste tipo de local traz a seguinte definição na RT 22:
Espaço confinado: qualquer área não projetada para ocupação humana contínua, a qual tem meios limitados de entrada e saída e na qual a ventilação existente é insuficiente para remover contaminantes perigosos e onde possa existir a deficiência ou enriquecimento de oxigênio (RT22, item 4.1.10, 2017, p. 4).
Esta definição muito semelhante ao que é trazido na NR 33 (Norma Regulamentadora número 33) que rege a forma de trabalho neste tipo de ambiente e, trazendo o seguinte texto:
Espaço Confinado é qualquer área ou ambiente não projetado para ocupação humana contínua, que possua meios limitados de entrada e saída, cuja ventilação existente é insuficiente para remover contaminantes ou onde possa existir a deficiência ou enriquecimento de oxigênio (NR33, item 33.1.2, 2012, p .1).
De forma mais ampla, os espaços confinados podem ainda ser classificados em dois diferentes tipos: os abertos, onde a ventilação é dificultada devido a sua parte superior e profundidade oferecendo riscos à pessoa na execução de serviço, são caracterizados por ter profundidade a partir de 1,5 m. À Figura 1 mostra um poço de elevador de unidade agrícola, o qual é um exemplo de espaço confinado aberto.
Figura 1 – Poço de Elevador de Grãos (Espaço confinado aberto)
___________________________________________________________________________
Também, há os espaços confinados fechados, estes, com pequena abertura para entrada e saída e com restrição ainda maior de ventilação que os espaços confinados abertos. A Figura 2 mostra um espaço confinado fechado, caraterizado devido ao seu grande comprimento e restrição na entrada.
Figura 2 - Túnel de unidade agrícola (Espaço confinado fechado)
Fonte: Autoria própria (2017).
Riscos em Espaços Confinados 2.1.1
A preocupação dos riscos em unidades agrícolas iniciou com o aumento da capacidade de armazenagem a granel brasileira, esta se iniciando na década de setenta, de forma bastante rápida e sem acompanhamento efetivo de autoridades neste tipo de edificação.
Caracterizados principalmente por possuir entradas e saídas limitadas, ainda dispõe de grande carência na sua fiscalização, tanto na fase de projeto como na fase de execução; também em unidades mais antigas (Figura 3) a adequação para atender a legislação atual ou mesmo equipamentos específicos tem um custo alto e, muitas vezes colocando a estrutura em risco. Estas impossibilidades acabam prejudicando o uso de equipamentos e resgate, quando ocorre um acidente em algum tipo de espaço confinado.
Quanto aos riscos, são diversos e, em grande parte das vezes, somados em um mesmo ambiente caracterizado como confinado: riscos construtivos, térmicos, elétricos, falta de ventilação, deficiência de oxigênio ou produção de agentes químicos tóxicos ou inflamáveis.
__________________________________________________________________________________________ Figura 3 - Túnel antigo Unidade agrícola (Espaço confinado fechado)
Fonte: Autoria própria (2017).
Tabela 1 - Fragmento Tabela quantidade de acidentes do trabalho, por situação do registro e motivo, segundo a Classificação Nacional de Atividades Econômicas (CNAE), no Brasil – 2015/2017
Fonte: Anuário Estatístico da Previdência Social, 2017.
Tabela 1 retirada no site do ministério do trabalho indica a quantidade de acidentes de trabalho vinculados ao CNAE (Classificação Nacional de Atividades Econômicas) de Atividade Agrícola, porém, muitos dos acidentes acabam não sendo registrados, o que dificulta a obtenção de um dado concreto destes acidentes.
São divulgados pelo ministério do trabalho através do CNAE, como mostrado na Tabela 2, dados referentes às assistências, afastamentos, incapacidade e óbitos, porém, o que
___________________________________________________________________________
dificulta o rastreamento é não saber a causa especifica do acidente, não havendo um controle específico para o espaço confinado.
Tabela 2 - Fragmento Tabela Quantidade de acidentes do trabalho liquidados, por consequência, segundo a Classificação Nacional de Atividades Econômicas (CNAE), no Brasil – 2015/2017
Fonte: Anuário Estatístico da Previdência Social, 2017.
Intoxicação por Gases Provenientes de Grãos 2.1.2
Em túneis e poços agrícolas, uma das maiores preocupações é a intoxicação por gases formados na fermentação e decomposição de matéria orgânica. Também, na própria respiração dos microrganismos, é consumido o oxigênio disponível no ambiente e produzido gás carbônico como resíduo metabólico. Alguns deles tendo como característica ter densidade maior do que o ar, sendo acumulados ao fundo dos poços e túneis e, muitas vezes quando percebida sua presença, as consequências físicas impedem a pessoa sair do recinto contaminado.
Os principais gases formados nestas reações são o CO2 (Gás Carbônico), CO (Monóxido de carbono), NO2 (Dióxido de Nitrogênio), CH4 (Metano) e o H2S (Sulfeto de Hidrogênio).
O CO2 é classificado como um asfixiante simples com densidade de 1,98 kg/m³, incolor e sem cheiro, o que dificulta a sua identificação sem o uso de equipamento adequado. É originado na respiração de sementes, grãos, microrganismos e insetos e, em um ambiente normal apresenta uma concentração até 0,04%.
__________________________________________________________________________________________ Os primeiros sintomas podem ser notados a partir de 10% de concentração caracterizada por dores de cabeça, vertigens, perturbação da visão, zumbidos no ouvido, tremores, sonolência e perda dos sentidos. Quando a concentração é superior a 40% o óbito é imediato, ficando a vítima com a pele azulada.
Com densidade maior que a do ar (1,14 kg/m³), o CO é originário da decomposição de produtos orgânicos, e quando inspirado, causa reação formando ao invés de hemoglobina-oxigênio na respiração de ar o complexo químico, hemoglobina monóxido de carbono, levando a pessoa à morte quando mais de 67% das hemoglobinas são vinculadas ao monóxido de carbono.
A intoxicação é caracterizada por indisposição e letargia e redução da pressão arterial. A exposição ao ar com este contaminante pode deixar lesões no sistema nervoso, dores de cabeça e até paralisação de membros.
Menos denso que o ar (1,91 E-6 kg/m³) o NO2 é originário de decomposição de produtos orgânicos. É um gás que se forma em contato com umidade e ar, ácido que pode causar corrosão em tecidos humanos, afetando, quando inalado, os tecidos dos pulmões. Em baixas concentrações é incolor, porém, quando elevada a concentração, possui cor marrom-amarelada.
Se a pessoa inalar este gás, pode sentir dispneia, tosse, taquicardia, hipotensão, cianose e, se aumentado o grau de toxidade ou tempo de exposição, ocorrer coma e óbito. Também, pode ter como sequelas bronquite e pneumonia.
Diferente dos gases citados acima o CH4 de densidade 0,656 kg/m³ é um gás que possui características explosivas quando misturado ao oxigênio e atingida temperatura maior que 67ºC, possui características semelhantes ao butano, tanto em explosões como na inalação. É gerado na fermentação e putrefação de resíduos orgânicos. Apesar de não possuir grande toxidade, sua presença afeta a disponibilidade de oxigênio, agindo como um narcótico ao sistema nervoso e causando ação anestésica e vertigens quando atingidas altas concentrações.
Conhecido como gás de esgoto por possuir odor semelhante a ovos podres, o H2S também é originário do processo de putrefação de resíduos orgânicos. É um gás incolor, inflamável e, assim como o CO2, mais denso que o ar (1,36 kg/m³). Age na pessoa, inibindo que as hemoglobinas realizem a troca dos gases O2 (Oxigênio) e CO2 causando asfixia.
___________________________________________________________________________
Quando atingidas altas concentrações, a sua inalação causa súbita perda de consciência, convulsões e cianose. Se em baixa concentração, podem ser notadas irritações e inflamações oculares, fotofobia, edema palpebral e visão de halo luminoso em torno de luzes.
2.2 EXIGÊNCIAS NORMATIVAS PARA ESPAÇOS CONFINADOS
Dentre a normativa nacional são referenciadas algumas medidas preventivas para a saúde e segurança no trabalho para espaços com restrição da ventilação, em especial a locais caracterizados como confinados.
No último ano, após acidentes mais graves principalmente em unidades agrícolas antigas, estes requisitos vêm sendo cobrados de forma mais enérgica já em fase de projeto pelos CBM’s em todo o Brasil
Resolução Técnica CBMRS N.º 22 2.2.1
A RT 22 do RS destaca série de itens de prevenção, ganhando destaque o texto do item 5.2.3.16, normatizando exigências sobre o controle de poeira e gases, neste, é importante frisar o trecho:
Todos os locais confinados deverão ser providos de exaustores ou ventiladores especificados de acordo com a planta de classificação de áreas, com acionamento manual ou automático, devidamente dimensionados para contribuir na retirada de poeira e gases e garantir a renovação do ar (RT22, item 5.2.3.16.5, 2017, p. 4).
Destacado que quando este despoeiramento for realizado através de captação dotada de filtro de manga, as coifas devem ser instaladas o mais próximo possível dos registros de descarga dos silos, local que, como mostrado na Figura 4, é o ponto de maior formação de poeira e vazamentos de grãos.
__________________________________________________________________________________________ Figura 4: Exemplo de coifa de captação de pó instalada junto ao registro
Fonte: Corpo de Bombeiros do Paraná, 2018.
Ainda são mencionados na penúltima alínea desta normativa, os valores de referência para concentração de poeira em suspenção, bem como também a taxa de renovação mínima de ar nos túneis, sendo detalhado no item:
O sistema de exaustão para controle de poeira deverá garantir circulação de ar suficiente para que não haja concentração de poeira maior que 20 g/m³ de ar. O sistema deverá prover, no mínimo, a taxa de 30 renovações do ar por hora (RT22, item 5.2.3.16.7, 2017, p. 14).
O item é finalizado recomendando manutenções periódicas e destacando que não deve ser realizada a movimentação de grãos sem que haja o acionamento prévio do sistema de exaustão, devendo os mesmos, ser dependentes entre si.
NR 33 - Segurança e Saúde nos Trabalhos em Espaços Confinados 2.2.2
O Ministério do Trabalho é quem regulamenta através da NR 33 os requisitos mínimos para o trabalho em espaços confinados no Brasil, normatizando obrigações tanto ao empregador como para o empregado. Esta NR define espaço confinado conforme citado no item 2.1 deste trabalho.
De acordo com a norma, é de responsabilidade do empregador, indicar quais os espaços confinados na edificação, através de placas de sinalização (Figura 5) e, nestes, indicar quais são os riscos específicos de cada espaço confinado. Ainda é trazido no item 33.2.1:
d) implementar a gestão em segurança e saúde no trabalho em espaços confinados, por medidas técnicas de prevenção, administrativas, pessoais e de emergência e salvamento, de forma a garantir permanentemente ambientes com condições adequadas de trabalho (NR33, item 33.1.2 d), p. 1).
___________________________________________________________________________
Figura 5 Sinalização para identificação de espaço confinado
Fonte: NR 33, 2012
Ao colaborador, cabe condizer com o cumprimento da norma, a utilização adequada de equipamentos de fornecimento da empresa, como também os procedimentos e orientações para a utilização de espaços confinados.
Dentre as recomendações da norma, são listadas uma série de medidas técnicas de prevenção, sendo importante, em nível de projeto, prever medidas de eliminação ou controle dos riscos atmosféricos.
Antes do acesso, deve ser previamente verificado se há condições para a entrada em seu interior e serem mantidas condições aceitáveis quando da realização de trabalho, neste período realizando a monitoração, ventilação, purgar, lavar ou inertizar.
A análise do ar deve ser feita antes da entrada e, mesmo que o ambiente confinado esteja dotado de sistema de exaustão, deve ser realizada nova análise após iniciada a exaustão e, durante o trabalho, para verificar a efetividade do sistema. Esta verificação pode ser realizada através de equipamento portátil como o mostra a Figura 6.
Figura 6 – Equipamento de medição de gás portátil
__________________________________________________________________________________________ É proibida a ventilação utilizando oxigênio puro. É importante que tanto equipamentos fixos como portáteis sejam adequados ao risco característico do espaço confinado, sendo que para áreas classificadas, devem obrigatoriamente todos os equipamentos ser certificados pelo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia); assim como todas as medidas para eventuais riscos característicos da área devem ser adequados à zona classificada.
NR 31 Segurança e Saúde no Trabalho Agricultura, Pecuária Silvicultura, 2.2.3
Exploração Florestal e Aquicultura.
A NR 31 é a norma do ministério do trabalho que rege as condições mínimas a serem atendidas em trabalhos rurais, englobando Agricultura, Pecuária, Silvicultura, Exploração Florestal e Aquicultura.
Esta norma sofreu algumas alterações pela Postaria MTB nº 1.086, de 18 de dezembro de 2018, ajustando ao trabalho na Agricultura, itens já constantes em suas demais normas.
No que diz respeito à operações de silos, vale ressaltar os seguintes itens constantes na NR 31:
31.14.4 É obrigatória a prevenção dos riscos de explosões, incêndios, acidentes mecânicos, asfixia e dos decorrentes da exposição a agentes químicos, físicos e biológicos em todas as fases da operação do silo.
31.14.5 Não deve ser permitida a entrada de trabalhadores no silo durante a sua operação, se não houver meios seguros de saída ou resgate.
31.14.6 Nos silos hermeticamente fechados, só será permitida a entrada de trabalhadores após renovação do ar ou com proteção respiratória adequada.
31.14.7 Antes da entrada de trabalhadores na fase de abertura dos silos deve ser medida a concentração de oxigênio e o limite de explosividade relacionado ao tipo de material estocado.
31.14.9 Devem ser previstos e controlados os riscos de combustão espontânea e explosões no projeto construtivo, na operação e manutenção.
26 31.14.12 Todas as instalações elétricas e de iluminação no interior dos silos devem ser apropriados à área classificada (NR31, 2018, p. 1)
Deve ser frisado o item 31.14.4 onde, apesar do item normativo se referir, de forma geral a silos, é descrito que estas medidas devem se estender a todas as fases de operação do silo, interpretado de modo geral a carga, descarga e manutenções.
Porém, apesar das recomendações, a norma diz respeito mais ao que deve ser seguido de forma administrativa, quais as responsabilidades, tanto do empregador, como do empregado; não traz dados específicos sobre o ambiente em espaço confinado.
___________________________________________________________________________
Instrução Normativa nº 29, de 8 de junho de 2011 2.2.4
Possuindo texto legal conhecido como “Lei do Sistema Nacional de Certificação de Unidades Armazenadoras” esta norma rege a certificação de Unidades Armazenadoras. Nela são dispostos todos os itens técnicos obrigatórios ou recomendados para que seja realizada a certificação ou a regulamentação de Unidades Armazenadoras.
Esta norma, no que diz respeito a espaço confinado e semiconfinado traz em seu item 14 do Quadro de Resumo de Requisitos Técnicos e Obrigatórios ou Recomendados para Certificação de Unidades Armazenadoras em Ambiente Natural (Tabela 3) a observação O¹.
Nesta observação, sendo: “Requisito obrigatório no momento da vistoria da unidade armazenadora pelo Organismo de Certificação de Produto – OCP”.
Ainda é descrito junto ao item 14 da Norma Para Sistema de Ventilação para ambientes confinados e semiconfinados que:
Todas as unidades armazenadoras para produtos a granel devem ser dotadas de sistema de ventilação para remoção de gases tóxicos dos ambientes confinados e semiconfinados, de acordo com a legislação vigente, sobretudo o contido na NR.º 33, do Ministério do Trabalho e do Emprego, ou outra que vier a substituí-la (IN n.º 29, 2011, p. 17).
Tabela 3 - Resumo de Requisitos Técnicos e Obrigatórios ou Recomendados para Certificação de Unidades Armazenadoras em Ambiente Natural
__________________________________________________________________________________________
3 SISTEMAS DE VENTILAÇÃO
3.1 VENTILAÇÃO INDUSTRIAL
A ventilação industrial tem como sua finalidade macro a renovação de ar em um ambiente. Neste conceito, fornece ar com características adequadas à utilização do ambiente ou mesmo a retirada de ar impróprio.
Conforme (Macintyre, 1990) a renovação de ar tem como seu fim primordial atingir em um ambiente fechado, um nível de ar com grau de pureza e escoamento que atendam às necessidades fisiológicas necessárias à saúde e bem estar humanas. Esta renovação distribuída de forma satisfatória na totalidade do ambiente.
Em âmbito geral a Ventilação Industrial é caracterizada por operação feita por meios mecânicos visando controlar temperatura, distribuição do ar, umidade e em especial, agentes contaminantes e poluidores. Por vezes, estes agentes são substâncias que integram a própria composição do ar normal, estando acima ou abaixo dos níveis ideais gerando riscos a saúde de quem está exposto a este ambiente.
Não basta apenas retirar o contaminante do ambiente e lançá-lo ao meio sem nenhum tipo de filtragem ou tratamento. A ventilação industrial deve fazer a captação do contaminante, filtrando-o e armazenando-o para que o ar retirado seja devolvido de forma adequada ao meio.
Em (Macintyre, 1990) são descritas duas classificações sumárias dos sistemas de ventilação. Um sistema classificado como Ventilação Local Exaustora e o outro como Ventilação Geral Exaustora.
Sistema de Ventilação Local Exaustora 3.1.1
A ventilação local exaustora é realizada de forma pontual (Figura 4), possuindo o captor na própria fonte de poluente nocivo à saúde. Age na remoção do ar do local e através de um exaustor, eliminando este ar para a atmosfera ou para a realização de tratamento. Assim, este gás deixa de ser um poluente ao ambiente.
Este tipo de ventilação é recomendado na RT 22 do CBMRS dando destaque que, quando de um ponto de formação de poeiras e gases, a captação deve ser posicionada o mais perto possível deste ponto, assim, tendo maior eficiência na retirada deste contaminante.
___________________________________________________________________________
Porém, nos novos conceitos de equipamentos, vem se eliminando o ponto de formação de poeira através de equipamentos enclausurados.
Sistema de Ventilação Geral Diluidora 3.1.2
Sistema caracterizado por realizar a ventilação de um ambiente, e, de acordo com (Macintyre, 1990), de um modo global e geral, podendo ser realizada de forma natural, quando da existência de janelas, portas ou outros meios que permitam a passagem de ar.
Quando, da utilização de equipamentos mecânicos para a realização forçada de ventilação, é denominada como Geral Diluidora, podendo ser realizada por insuflação, exaustão ou os dois sistemas combinados.
De acordo com (Macintyre, 1990) são três as finalidades da Ventilação Geral. A primeira delas que seja mantido o conforto ambiental alcançando através do restabelecimento das condições ambientais, provocadas pela presença do homem, a refrigeração do ar para situações de climas quentes, aquecimento do ar quando de climas frios e o controle da humidade do ar.
A segunda é manter a saúde e a segurança do homem objetivando conseguir redução da concentração de aerodispersóides e particulados nocivos a níveis compatíveis com o prescrito na NR33, impedindo que a concentração de gases, vapores e poeiras inflamáveis e explosivas ultrapassem os limites de inflamabilidade ou explosão.
E como ltima, a conservação e bom estado de materiais e equipamentos, tendo como exemplos locais destinados à subestações, compressores, motores a diesel ou de geradores e motores elétricos.
Insuflação Mecânica e Exaustão Natural
3.1.2.1
Este sistema de ventilação é caracterizado por um ou mais ventiladores forçando ar para dentro de um determinado ambiente (Figura 7) proporcionando assim uma pr (Pressão no Recinto) maior ou equivalente a pe (Pressão Externa) forçando o ar contaminado a sair pelas aberturas ao exterior existentes e, assim, proporcionando diluição dos contaminantes, baixa de temperatura e arejamento.
__________________________________________________________________________________________ Este tipo tem a vantagem de poder utilizar dutos para trazer ar puro da região externa. Mas, deve-se cuidar em função da pr maior, que o ar contaminado não seja eliminado para outros ambientes da edificação.
Figura 7: Insuflação mecânica e exaustão natural
Fonte:( Macintyre, 1990..73)
Insuflação Natural e Exaustão Mecânica
3.1.2.2
Neste sistema um ou mais ventiladores realizam a retirada do ar contaminado do interior do ambiente para o exterior (Figura 8), mantendo a pressão pr menor que a pressão pe e assim, forçando o ar externo descontaminado a entrar no ambiente.
Figura 8: Insuflação natural e exaustão mecânica
___________________________________________________________________________
Nesta forma construtiva, o ar exaurido evita que o ar contaminado seja enviado a ambientes vizinhos, porém não impede que ar contaminado entre de ambientes vizinhos.
É viável o uso de filtros adequados nas entradas de ar, ou avaliar se o ar que entra livremente nas aberturas tem qualidade suficiente para fazer a diluição de contaminantes no ambiente.
O uso de exaustores axiais diminui o custo de instalação, porém devem ser instalados em pontos opostos às entradas de ar, do contrário, podem ser utilizados dutos de ar.
Também, as entradas de ar devem ser livres de entrada de chuva, corpos estanhos ou animais.
Insuflação Mecânica e Exaustão Mecânica
3.1.2.3
Quando a Insuflação mecânica e exaustão natural ou mesmo a insuflação natural e exaustão mecânica não atingem uma remoção satisfatória de contaminantes, pode-se utilizar um sistema misto insuflando e exaurindo o ar de forma mecânica (Figura 9). Esta ação proporciona maior controle da entrada de ar, podendo ajustar os níveis de pressão interna, bem como utilizando dutos para a entrada de ar de local descontaminado, como também retirar o ar contaminado do ambiente para onde não haja risco de contaminação dos ambientes vizinhos.
Nesta utilização o (Macintyre, 1990) indica que Qent (vazão de ar insuflado) e Qsaída (vazão de ar exaurido) e a pressão pr dependendo da relação entre Qent e Qsaída. Ainda é dado que em muitos casos uma boa relação seja Qent = 1,15 Qsaída.
Figura 9: Insuflação e exaustão mecânica
__________________________________________________________________________________________ Ventiladores
3.1.3
Existem vários tipos e dimensões de ventiladores no mercado atual, mas o que são ventiladores? (Macintyre, 1990), Define os ventiladores como “turbo máquinas geratrizes ou operatrizes”, tendo a finalidade de produzir deslocamento de gases.
Este deslocamento de gases comparado ao que ocorre com turbo bombas; é o deslocamento gerado através de pás dimensionadas e fixadas a um rotor, normalmente acionado por um motor elétrico, convertendo a energia mecânica do rotor em energia potencial de pressão e energia cinética no fluido fazendo deslocar-se através de dutos com vazão a atender as finalidades desejadas.
Outro dado importante destacado por (Macintyre, 1990) é que ventiladores são tratados como máquinas de fluido incompressível já que o grau de compressão verificado em seu funcionamento é tão pequeno que não seria viável considerá-lo como um compressor. Já, quando atingidas compressões superiores a 2,5 kgf.cm-², devem ser considerados como turbo compressores, onde os fenômenos termodinâmicos gerados na compressão devem ser levados em consideração.
Tipos de Ventiladores
3.1.3.1
Entre os modelos de ventiladores disponíveis no mercado existem vários critérios que os caracterizam e diferenciam. Uma das primeiras grandezas que os caracteriza é o nível energético de pressão atingida, classificada em baixa pressão caracterizada por uma pressão efetiva de até 0,02 kgf.cm-² (200 mmH2O), média pressão com pressões de 0,02 kgf.cm-² o 0,08 kgf.cm-² (200 a 800 mmH2O) e de alta pressão para as pressões de 0,08 a 0,250 kgf.cm-² (800 a 2.500 mmH2O).
Também, podem ser classificados em três formas construtivas principais que impactam na forma do escoamento do fluido: os centrífugos (Figura 10 – a), formando uma trajetória de uma partícula gasosa no rotor em uma superfície de um plano normal ao eixo formando uma espiral, Hélico-centrifugos (Figura 10-b e c), onde a partícula quando passa no interior do rotor descreve uma hélice sobre uma superfície de revolução cônica cuja a geratriz é uma linha curva e Ventiladores axiais (Figura 10 – d), onde a trajetória realizada pela partícula quando passa pelo rotor é uma hélice descrita em uma superfície de revolução cilíndrica.
___________________________________________________________________________
Figura 10: Modalidades construtivas dos rotores dos ventiladores
Fonte: Macintyre, 1990.
Para situações especiais ou características, os ventiladores podem ser classificados quanto à forma das pás, números de entradas de aspiração no rotor e números de rotores.
Condições que devem ser consideradas 3.1.4
Alguns ambientes carecem de considerações especiais quanto à ventilação, locais onde odores, fumaças de cigarro e CO2 exalado dos pulmões pela respiração (aproximadamente 0,02m³/h por pessoa) são o principal contaminante.
Nestas condições, é importante destacar que um homem tem a necessidade de consumo pela respiração de aproximadamente 0,025m³ de oxigênio por hora, este devendo ser fornecido na circulação de ar no interior do recinto como mostrado na Tabela 4.
Tabela 4 – Necessidade de ar externo para diluição de odores corporais
Fonte: Macintyre, 1990.
Para o cálculo de Suprimento de ar de um ambiente pode-se obter pela equação (1):
. º º . (1)
__________________________________________________________________________________________ Suprimento de ar [m³/min];
Volume do ambiente [m³]; Numero de pessoas [pessoa];
Suprimento de ar externo (Tabela 4) [m³/min/pessoa];
Para ambientes de poucas pessoas usam-se padrões pré-estabelecidos de quantia mínima de trocas completas de ar/hora em um determinado recinto.
A ASHRAE possui padrões normatizados como mostrados na Tabela 5. A RT 22/2018 determina valores específicos para um determinado ambiente a exemplo o item 5.2.3.16.7.
Neste, é estabelecida taxa de 30 renovações do ar por hora para túneis de unidades agrícolas, taxa suficiente para a eliminação de riscos e garantida à qualidade do ar.
Tabela 5 – Taxa de renovações de ar para os diversos ambientes conforme ASHRAE – American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning, Guide na Data Book
___________________________________________________________________________
Neste modelo de ventilação é recomendado que a velocidade de ar não seja muito baixa, de modo que não faça a retirada de contaminantes como também não seja muito alta, de modo a causar desconforto. O recomendado pelo (Macintyre, 1990) é que a velocidade não seja menor que 1,5 m/min e não seja superior a 10 m/min.
A velocidade média de escoamento no interior do recinto é dada pelo volume de ar calculado para a sala em função da seção livre de passagem do recinto conforme a equação (2):
(2)
Na qual:
V - Velocidade média de escoamento [m/h]; Q - Vazão de ar [m³/h];
S - Seção livre de passagem [m²];
A seção livre de passagem deve ser dada pela altura e largura efetivas do túnel. As áreas de afunilamento ou equipamentos são desconsideradas obtendo uma velocidade média de escoamento aproximada.
Ventilação Industrial Diluidora 3.1.5
Sistema caracterizado pela utilização em operações industriais onde a formação de contaminantes se caracteriza por ser constante e uniforme, facilitando a sua diluição através de uma corrente de ar passando pelo ambiente e eliminando na atmosfera exterior quando o contaminante não for caracterizado como um poluente, ou tratando, quando de maior toxidade.
É um processo que não interfere nas atividades industriais e leva vantagem quando as fontes geradoras estão dispersas no ambiente.
Apesar da vantagem deste tipo de sistema para fontes geradoras dispersas, a remoção dos contaminantes ocorre de forma mais lenta, podendo, o operador, quando próximo à fonte geradora, aspirar pequenas quantidades do contaminante, prejudicando os órgãos respiratórios, mucosas e olhos. Também, quando a geração de contaminantes for elevada, o sistema acaba não tendo desempenho satisfatório na remoção, nem através de grande vazão de ar para a remoção, sendo, neste caso, viável sistemas de remoção na fonte geradora.
__________________________________________________________________________________________ Mas, quando o grau de toxidade do produto não é grave, a ventilação geral é o sistema mais viável financeiramente e bastante eficiente para a retirada de contaminantes formados por operações físico – mecânicas ou químicas.
No ambiente, o poluente formado é caracterizado por uma vazão q (m³/h) com uma entrada de ar Q em metros cúbicos por hora sendo o grau de concentração C do poluente dado pela equação:
(3)
Na qual:
C – Grau de concentração do Poluente [m³/m³]; q – Vazão Poluente [m³/h];
Q – Vazão de ar [m³/h];
Os teores de concentração permitidos no ambiente podem ser verificados em tabela TLV (valor limite de tolerância).
Normalmente é utilizado a concentração em ppm para líquidos e g/m³ ou mg/m³ para poeiras e fumos.
Conforme trazido em (Macintyre, 1990) a ventilação diluidora tem capacidade de: - Proteger a saúde do trabalhador pela redução da concentração dos poluentes abaixo do nível de tolerância;
- salvaguardar o trabalhador contra riscos de explosões e inflamações de certos poluentes, baixando o nível de concentração dos mesmos;
- Melhorar a eficiência e o conforto do trabalhador, pelo controle de temperatura e da umidade (até certo ponto) no ambiente;
- proteger equipamentos e materiais contra efeitos corrosivos do ar carregado de certos poluentes;
Devido à prática não alcançar uma diluição uniforme e perfeita do contaminante em função da forma do ambiente e pontos de interferência, é adotado um fator de segurança (K) no calculo da vazão Q de ar puro adicionado no ambiente, este K recomendado é de 3 a 10, de acordo com a toxidez do contaminante.
(4)
Na qual:
Q – Vazão de ar [m³/h];
K – Fator de Segurança = [3 a 10];
___________________________________________________________________________
q – Vazão Poluente [m³/h];
Para a aplicação da equação (4) a concentração C deve ser convertida para m³/m³ devido à vazão Q ser calculada em m³/h.
Taxa de Ventilação
3.1.5.1
A relação entre a vazão Q de ar que é introduzida ou retirada no ambiente através de um sistema de ventilação geral diluidora e o volume do recinto é chamada de taxa de ventilação, esta normalmente dada em m³/min ou pés³/min. O número de trocas por minutos é dado por:
º !" " çã % %&/ min+&+ (5)
Na qual:
Taxa de ventilação [m³/min]; Volume do recinto [m³];
Quando calculada a taxa de ventilação em pés cúbicos por minuto a equação (6), permite calcular a taxa de ventilação buscando uma concentração desejada de kd através da equação (7). , ∙ 387 123 ∙ 106 7 (6) Na qual:
Q – Taxa de ventilação [pés³/min];
G – Taxa de geração da substância que se quer diluir [lb/min];
387 – Volume de 1 lb mol de qualquer gás a 70ºF a 1 atm, e volume molecular [cf/lb]; Pmol – Peso molecular da substância que se quer diluir [lb];
Kd – Concentração permitida no ambiente, isto é, que não deve ser ultrapassado; Kd é dado em ppm, volume sendo correspondente ao limite inferior de tolerância da substância, este obrigatoriamente devendo ser inferior ao TLV (Limite de Tolerância) podendo ser utilizada a tabela de valores VDC (Concentração máxima C) para Kd pois o VDC corresponde ao TLV já dividido por um coeficiente de segurança.
__________________________________________________________________________________________
7 8 9 (7)
Na qual:
Kd – Concentração permitida no ambiente; TLV – Limite de tolerância;
K – Fator de Segurança = [3 a 10]; Reescrever conforme a equação 8:
, ∙ 387 123 ∙ 106 8 ∙ (8) Na qual:
Q – Taxa de ventilação [pés³/min];
G – Taxa de geração da substância que se quer diluir [lb/min]; Pmol – Peso molecular da substância que se quer diluir [lb]; K - Fator de Segurança = [3 a 10];
___________________________________________________________________________
4 DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL
4.1 DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL
Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) trata-se de ferramenta baseada em computador com capacidade de simular qual o comportamento de sistemas que envolvem fluxo de fluidos e transferência de calor, como também outros processos físicos.
Seu funcionamento ocorre através da resolução de equações de fluxo de fluído sobre uma região de interesse, de acordo com o que foi especificado nas condições de fronteira desta região.
São conhecidas como equações de Navier-Stokes o conjunto de equações capazes de descrever os processos de momento, calor e massa. Obtidas no século XIX, são equações diferenciais parciais que não possuem solução analítica conhecida em geral, porém, pode-se discretizar e resolvê-las numericamente. Este conjunto de equações está apresentado na equação (9):
(9)
Há diferentes métodos de solução, mas o método mais usual é o método em que o ANSYS CFX utiliza. Conhecido como técnica de volumes finitos.
Na utilização desta técnica é feita uma divisão da região de interesse em pequenas sub-regiões as quais são chamadas de volumes de controle. Estas equações são discretizadas, sendo resolvidas interativamente para cada volume de controle. É obtido como resultado uma aproximação do valor para cada variável em pontos específicos ao longo do domínio.
Engenheiros e cientistas utilizam a CFD em uma vasta gama de aplicações, sendo as mais usuais:
- Saúde e segurança: Investigar os efeitos do fogo e do fumo; - Ambiente: A dispersão de poluentes no ar ou na água; - Indústria de processo: vasos de mistura, reatores químicos; - Serviços de construção: Ventilação de edifícios, tais como dutos;
- Indústria de motores: modelagem de combustão, a aerodinâmica do carro; - Eletrônica: Transferência de calor no interior e em torno de placas de circuito; - Potência e energia: Otimização dos processos de combustão;
__________________________________________________________________________________________ - Medicina: O fluxo de sangue através dos vasos sanguíneos. (Bavaresco, 2010, pg. 23).
Simulações em CFD podem ser usadas para determinação de desempenho de componentes já em fase de projeto, como também em componentes já existentes analisar quais as dificuldades corrigindo-as, chegando a um projeto de maior qualidade. Como exemplo, a Figura 11 onde se pode analisar a queda de pressão em um componente verificando se está excessiva.
Figura 11: Componente a ser analisado
Fonte: ANSYS Workbench interface, 2019.
Como início para esta simulação deve-se identificar a região de interesse e identificar o volume de controle (Figura 12).
Figura 12: Escolha do domínio ou volume de controle
Fonte: ANSYS Workbench interface, 2019.
Definida a região de interesse, pode ser diretamente importada geometria já existente no CAD. Após importada e verificada a geometria, pode ser criada a malha em sub-regiões. Depois de gerada, a malha é importada para o pré-processador, demais elementos da
___________________________________________________________________________
simulação, juntamente com as condições de contorno definidas (entradas, saídas, etc.) e definidas as propriedades do fluido (Figura 13).
Figura 13: Condições de contornos do domínio
Fonte: ANSYS Workbench interface, 2019.
Depois de realizada a busca de uma solução do fluxo para a produção de um arquivo de resultados contendo a variação da velocidade, pressão e demais variáveis contemplando toda a região de interesse.
Os resultados gráficos gerados, como na Figura 14 fornecem ao engenheiro o entendimento de como o fluido se comporta na região de interesse.
Figura 14: Resultados obtidos
Fonte: ANSYS Workbench interface, 2019.
Resumidamente, as etapas do processo de modelagem por CFX podem ser representados conforme o fluxograma da Figura 15.
__________________________________________________________________________________________ Figura 15: Etapas de processamento no CFX
Fonte: Adaptada de ANSYS Workbench interface, 2019.
4.2 MALHA DE VOLUMES FINITOS
Como já mencionado no item anterior, método de volumes finitos é uma ferramenta capaz de trazer solução aproximada das equações de balanço de quantidade de movimento, também balanço de massa pela discretização do domínio de interesse do modelo em um número finito de volumes de controle como na Figura 16.
Devido à sua grande utilização nos ramos de pesquisa acadêmica e industrial em fenômenos de transporte, se tornou uma ferramenta bastante difundida no meio, atingindo resultados bastante confiáveis.
___________________________________________________________________________
Malhas estruturadas são de fácil ordenação, obtendo matrizes diagonais proporcionando hipóteses de desenvolvimento mais fáceis, como também mais eficientes. Porém, problemas reais com geometrias complexas não permitem sempre que sejam empregadas malhas bem estruturadas, assim, entram em cena malhas não estruturadas, que por sua vez são mais versáteis, tendo mais facilidade para se adaptar e muito mais aptas a discretizar geometrias irregulares com cantos e saliências.
Um exemplo é a Figura 16(a) que sendo uma geometria com furo, não possui uma discretização cartesiana adequada para uma geometria com um furo, o qual é preferível a discretização ilustrada na Figura 16(b). Neste, é utilizado um sistema de coordenadas generalizadas. Também, pode ser feita malha conforme Figura 16(c), a qual apresenta uma discretização não estruturada (Bavaresco, 2010).
Figura 16: Discretização da estrutura cartesiana (a), estrutura generalizada (b) e não estruturada (c)
__________________________________________________________________________________________
5 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE EXAUSTÃO PARA TÚNEL
Neste trabalho, optou-se por um modelo típico de espaço confinado aberto de Unidade Agrícola detalhado na Figura 17. Este, constituído de um poço para elevadores de grãos com profundidade de 7,7 m, túnel para Redler de descarga de silos de aproximadamente 20 m de comprimento e acesso ao túnel ao final do mesmo, com ponto de acesso com abertura para exaustor, o que entre túnel, saída e poço, totalizam 25,3 m de comprimento.
Figura 17 - Modelo 3D Túnel – Dimensões gerais
Fonte : Autoria própria (2019).
5.1 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA
Para o dimensionamento do sistema de renovação de ar do túnel de Unidade Agrícola, conforme método normativo, primeiramente foi realizada uma maquete eletrônica, conforme modelo de túnel típico de unidades armazenadoras. Este modelo foi criado em 3-D (três dimensões) no software Solid Edge podendo ser visto na Figura 18.
___________________________________________________________________________
Figura 18 - Modelo 3D Túnel
Fonte : Autoria própria (2019).
Este modelo de túnel tem como diferencial o fornecimento de sistema de exaustão com exaustor axial na saída do túnel, local mostrado na Figura 19, sendo esta saída fechada através de cobertura e uma porta de acesso. A porta foi desconsiderada no modelo, permanecendo, normalmente fechada, para impedir o acesso à área.
A parte mais profunda (7,7m) é o ponto onde são instalados os elevadores de grãos. Esta parte recebe um fechamento de gradil prevenindo quedas dos operadores; porém, permite a livre passagem de ar, como também podem cair ao fundo, resíduos de cereais, corpos estranhos, pequenos animais e água, sendo este, o ponto mais crítico para geração de gases tóxicos tendo difícil circulação de ar.
__________________________________________________________________________________________ Figura 19 – Vista do Túnel
Fonte : Autoria própria (2019).
A partir do modelo do túnel, foi modelado o seu volume interno mostrado na Figura 20 e aplicado como material de composição: ar em propriedades perfeitas.
Na simulação do modelo obteve-se o volume de ≅ 223,21 m³ com uma massa de ar de
≅ 273,43 kg, obtidos na tabela de propriedades físicas no Solid Edge. Para possibilitar posterior simulação, foram desconsideradas as tubulações e equipamentos de transporte internos.
___________________________________________________________________________
Figura 20 – Modelo de volume de ar
Fonte: Autoria própria (2019).
Foi ainda adicionado ao modelo de volume de ar facilitando na simulação posterior o ponto de localização do ventilador e também o afunilamento, proporcionado na saída de ar.
A partir do volume encontrado no modelo em CAD foi dimensionado conforme a Equação (5), atendendo um mínimo de 30 renovações de ar completas por hora, normatizada pelo item cinco da Resolução Técnica 22 do CBMRS. Assim obteve-se a vazão mínima de 6696,3 m³/h.
Encontrada a vazão mínima de trabalho que deve possui o sistema de renovação de ar para o túnel, tendo a condição apenas de renovar ar e diluir contaminantes provenientes dos próprios cereais processados na unidade, foi optado inicialmente pela utilização de sistema de ventilação industrial diluidora. Neste, devido à forma do túnel, utilizado insuflação natural e exaustão mecânica.
Este modelo de sistema de exaustão pode ser atendido por um exaustor axial, pois é característico de alta vazão e baixa pressão. O modelo optado como inicial para o sistema foi Exaustor E50T4 - Trifásico do Fabricante Ventisilva, o qual possui características conforme a Tabela 6. O exaustor possui vazão acima do dimensionado pela equação (5) e, consequentemente, realizará mais trocas de ar no túnel.
__________________________________________________________________________________________ Tabela 6 – Tabela de Referência de exaustores axiais Ventisilva - trifásicos
Fonte : Ventisilva, 2019.
A partir da vazão do modelo de exaustor selecionado, foi novamente verificada a taxa de renovação de ar pela equação (5), desta vez, utilizando como dado de entrada a vazão do exaustor, obtendo-se taxa de renovação de 37,63 trocas/h.
A velocidade do ar foi calculada pela equação (2) para a seção principal do túnel, mostrada na Figura 21. Esta velocidade conforme forma construtiva do túnel e taxa de renovações de ar, interfere no intervalo de velocidade recomendado para conforto ambiental.
Figura 21 – Seção principal túnel
Fonte : Autoria própria (2019).
Através da Equação (2) utilizando a vazão do exaustor na unidade de m³/s e medida de área das seções em m², obteve-se a velocidade de 34,8 m/min na seção principal do túnel.
Nota-se que esta velocidade ultrapassa os limites recomendados por (Macintyre, 1990) no capitulo 3.1.4, de que a velocidade não seja menor que 1,5m/min e superior a 10m/min. Porém, estas são recomendações de conforto para áreas de permanência de pessoas.
___________________________________________________________________________
5.2 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Software Utilizado na Simulação CFD 5.2.1
A primeira etapa da simulação foi a definição do Software a ser utilizado, o qual neste trabalho, foi optado pela versão acadêmica do Software Ansys versão 19.2.
Esta versão disponibiliza como limites de tamanho do problema para Física Estrutural de 32K nós / elementos e para Fluidos físicos de 512K células / nós. Para utilização do Software deve-se utilizar sistema operacional Microsoft Windows 10, 64 bits, com os seguintes requisitos mínimos de Hardware:
- Processador (es): Classe de estação de trabalho; - 4 GB de RAM;
- 25 GB de espaço no disco rígido;
- O computador deve ter um drive C:/ “físico presente;
- Placa gráfica e driver: Classe de estação de trabalho profissional 3-D; - OpenGL-capaz;
A versão do Ansys 19.2 inclui os recursos apresentados na Tabela 7: Tabela 7 – Tabela de Recursos Ansys Academic 19.2
Aplicativos e recursos incluídos: Sistemas de Análise de
Bancada / Física:
Importação de Geometria:
- Bancada de trabalho do ANSYS; - Avaliação de design; - Importação de formato neutro
IGES, STEP;
- ANSYS Multifísica; - Elétrico; - Parasolid (nativo no ANSYS
DesignModeler);
- ANSYS Mecânica; - Dinâmica Explícita;
- ANSYS Autodyn; - Fluxo de Fluido (CFX);
- ANSYS Forte; - Fluxo Fluido (Fluente);
- ANSYS Chemkin-Pro; - Resposta Harmônica;
- ANSYS CFD (ANSYS CFX e
ANSYS Fluente);
- Flambagem Linear;
- Malhagem ANSYS e Malha Estendida;
- Magnetostático;
- ANSYS DesignModeler; - Modal;
- ANSYS DesignExplorer; - Vibração Aleatória;
- ANSYS SpaceClaim; - Espectro de Resposta;
- Dinâmica Rígida; - Otimização de Forma; - Estrutural Estático; - Térmica Estável; - Térmica-elétrica; - Estrutural Transitório;
