VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA - DUTOS. 10º Período de Engenharia Mecânica

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1 VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA - DUTOS 10º Período de Engenharia Mecânica Fernando Coradi Engenheiro Mecânico Engenheiro em Segurança do Trabalho Mestrando em Engenharia de Energia 1

2 Referências Bibliográficas CREDER, H. Instalações de ar Condiconado, 5ª ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A MACINTYRE, A. J. Ventilação Industrial e Controle da Poluição. 2ª ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 1990 SILVA, R. B. Ar Condicionado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, vol. 1,

3 Ventilação Local Exaustora Sistema Completo 3

4 Ventilação Local Exaustora - Dutos O transporte dos poluentes através dos dutos do sistema depende da velocidade do ar na tubulação. Para poluentes gasosos, a velocidade tem pouca importância uma vez que não ocorre a sedimentação na tubulação mesmo para velocidades baixas. Neste caso, podemos utilizar então velocidades na faixa econômica, usualmente entre 5 e 10 m/s. 4

5 Ventilação Local Exaustora - Dutos No caso de poluentes na forma de partículas, é importante manter a velocidade mínima de transporte para que não ocorra sedimentação nos dutos. Essa velocidade varia de acordo com a densidade e granulometria das partículas. 5

6 Ventilação Local Exaustora - Dutos A classificação granulométrica é uma técnica pela qual os diversos tipos de materiais são agrupados e designados em função dos diversos diâmetros das partículas. Peneirador Mecânico 6

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9 Velocidade de Captura para Captores Dimensionada em função da emissão dos poluentes 9

10 Velocidade de Transporte de Partículas em Dutos Dimensionada em função do tipo de partícula 10

11 A velocidade no duto tem influência direta na perda de carga do sistema. Quando teremos uma maior perda de carga no sistema? Quando a velocidade no duto for maior ou menor? Quanto maior a velocidade, maior será a perda de carga, e maior a potência exigida do ventilador. 11

12 Quanto maior a velocidade, maior será a perda de carga, e maior a potência exigida do ventilador. f = coeficiente de atrito (depende da rugosidade) L = comprimento do trecho d = densidade dos gases D = diâmetro da tubulação 12

13 Dessa forma, é conveniente, do ponto de vista econômico, que a velocidade fique próxima e acima da velocidade mínima de transporte requerida, para atender ambos os objetivos: 1 - Condução dos poluentes 2 Economia do Sistema Exemplo: Velocidade mínima de captura para partículas de baixa densidade 10 m/s Boa velocidade de captura para projeto 12 m/s Ruim velocidade de captura - 9,5 m/s Ruim velocidade de captura 15 m/s 13

14 Observação Importante Em se tratando de poluentes na forma de partículas, portas de inspeção são necessárias nas tubulações em intervalos de pelo menos 3 metros e junto às singularidades (joelhos, derivações, curvas etc) de maior probabilidade de deposição de pó. 14

15 Dimensionamento de Dutos Em um sistema de ventilação local exaustora, dimensionar o sistema de dutos significa: 1 Determinar a área da seção transversal do duto (A) 2 Pela qual passa a vazão requerida (Q) 3 A uma dada velocidade desejada (v) 15

16 Dimensionamento de Dutos Traduzindo o conceito em aplicação temos: Q = v x A Para dutos circulares temos que d = 4 x A 3,14 Para dutos retangulares de lados a e b temos que A = a x b ou seja, Q = v x (a x b) 16

17 Dimensionamento de Dutos Calcular a área e o diâmetro de um duto para uma vazão Q = m 3 /h e velocidade V = 15m/s. A = 0,18533 m 2 D = 0,486 m ou 486 mm 17

18 Dimensionamento de Dutos Calcule a área adequada para uma tubulação retangular onde se é necessário ter uma vazão de m3/h conduzindo partículas de densidade média/alta. A = 0,28 m 2 18

19 Dimensionamento de Dutos Qual a vazão adequada para uma tubulação retangular de lados medindo 2000 mm e 400 cm, conduzindo partículas de baixa densidade? Q= 80 m 3 /s 19

20 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos f = coeficiente de atrito (depende da rugosidade) L = comprimento do trecho d = densidade dos gases D = diâmetro da tubulação 20

21 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos Em trechos de duto retos, as perdas de energia são causadas pelo atrito nas paredes internas. 21

22 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos f = coeficiente de atrito (depende da rugosidade) L = comprimento do trecho reto d = densidade dos gases (ar padrão 1,2 kg/m 3 ) D = diâmetro da tubulação 22

23 Requisitos de Energia no Sistema de f = coeficiente de atrito Dutos O coeficiente de atrito pode ser obtido através do diagrama de Moody, tendo como base a rugosidade do duto e o número de Reynolds para a condição requerida. Na prática a perda de carga é determinada com o auxílio de ábacos padronizados. 23

24 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos 24

25 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos 25

26 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos Calcule a perda de carga em uma tubulação cilíndrica com trecho reto de 70 dm, conduzindo poluentes de baixa densidade. Sabe-se que a tubulação é de polipropileno e que a mesma apresenta coeficiente de atrito igual a 0,5 e densidade de ar padrão. A vazão de projeto é de m3/h. Pc = 353 N/m 2 26

27 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos Repita o exercício anterior, considerando agora que o sistema conduz um poluente de alta densidade, e compare os 2 resultados em função da velocidade adotada. Pc = 3.490,7 N/m 2 27

28 Dimensionamento de Dutos Comparação dos resultados dos 2 exercícios em função da velocidade adotada: Exercício 1 Adotado v = 10 m/s Pc = 353 N/m2 Exercício 2 Adotado v = 25 m/s Pc = 3.490,7 N/m2 Conclusão: Ao aumentarmos a velocidade em 150%, Aumentamos a perda de carga no sistema em quase 900%. 28

29 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos Considere uma tubulação retangular de lados medindo 1000 mm e 300 cm respectivamente. A tubulação conduz partículas de alta densidade com trecho reto de 4000 mm. Sabe-se que a tubulação é de aço galvanizado e que a mesma apresenta coeficiente de atrito igual a 0,25 e densidade de ar padrão. Calcule a perda de carga e a vazão desse sistema. Pc = 192,31 N/m 2 29

30 Requisitos de Energia no Sistema de Dutos Repita o exercício anterior, considerando agora um sistema com seção transversal de 6 m 2. Compare os 2 resultados em função da seção transversal adotada. Pc = 136 N/m 2 30

31 Dimensionamento de Dutos Comparação dos resultados dos 2 exercícios em função da seção transversal adotada: Exercício 1 Adotado A = 3 m 2 Pc = 192,31 N/m 2 Q = 75 m 3 /s Exercício 2 Adotado A = 6 m 2 Pc = 136 N/m 2 Q = 150 m 3 /s Conclusão: Dobrando a seção transversal da tubulação: -A vazão requerida para o sistema aumenta proporcional. -Diminuímos a perda de carga do sistema em aproximadamente 50%. 31

32 Observações Importantes Ao projetar um sistema de ventilação lembre-se: - Quanto maior a velocidade exigida para qualquer sistema de ventilação, maior será a perda de carga deste sistema. - Quanto maior a seção transversal da tubulação do sistema, menor será a perda de carga. Conseqüentemente maior diâmetro, menor perda de carga. 32

33 Singularidades Singularidade é qualquer elemento do sistema que causa distúrbio no fluxo de ar, como por exemplo cotovelos, junções, contrações, expansões etc. As singularidades representam pontos de perda de carga localizada. As singularidades devem ser projetadas de modo que ocasione a menor perda de carga 33 possível.

34 Singularidades Os sistemas projetados com singularidades fora do padrão normal de especificação funcionam, porém, as custas de uma maior potência. 34

35 Singularidades - Cotovelos A perda de carga em cotovelos depende basicamente: 1 - Do raio de curvatura 2 - Da forma do duto 3 E do ângulo de mudanças de direção. A tabela 16.2 apresenta as perdas de carga em cotovelos de 90º com seções transversais circulares e retangulares. 35

36 Singularidades - Cotovelos 1 - Do raio de curvatura 2 - Da forma do duto = Raio de Curvatura Raio de Curvatura Ideal para Minimização de Perda de Carga R = 1,5D 36

37 Singularidades - Cotovelos 3 - Do Ângulo e Mudança de Direção Ângulo Ideal Pouco Recomendado Não Recomendado 37

38 Singularidades Chapéus (Saída de Chaminé) Perda de Carga de chapéus (tipo chinês). 38

39 Cálculo com Singularidades Calcule a perda de carga total em uma tubulação cilíndrica com trecho reto de 50 dm, conduzindo poluentes de baixa densidade. A tubulação contém 1 junção com ângulo de 25º, e um cotovelo circular com raio de curvatura igual a 1,3D com ângulo de 60º. Sabe-se que a tubulação é de polipropileno e que a mesma apresenta coeficiente de atrito igual a 0,3 e densidade de ar padrão. A vazão de projeto é de m3/h. 39

40 Dimensionamento de Dutos Perda de Carga Total do Sistema Pc em cotovelo (ângulo de 60º) = 0,37 N/m 2 Pc em Junção com ângulo de 25º = 0,15 N/m 2 Pc no Trecho Reto = 214,29 N/m 2 Pc Total = 214,81 N/m 2 40

41 Considere uma tubulação retangular de lados medindo 1500 mm e 200 cm respectivamente. A tubulação conduz partículas de média densidade com trecho reto de 5000 mm. A tubulação contém dois cotovelos retangulares com raio de curvatura igual a 2D e ângulo de 90 ; e 3 junções, uma com ângulo de 30º e duas com ângulo de 45º cada. Sabe-se que a tubulação é de aço galvanizado e que a mesma apresenta coeficiente de atrito igual a 0,25 e densidade de ar padrão. Calcule a perda de carga total e a vazão desse sistema. 41

42 Dimensionamento de Dutos Perda de Carga Total do Sistema Pc em cotovelo (ângulo de 90º) = 0,22 N/m 2 Pc em Junção com ângulos de 30º + 45 = 0,74 N/m 2 Pc no Trecho Reto = 86,54 N/m 2 Pc Total = 87,5 N/m 2 42

43 Balanceamento de Tramos O termo balanceamento de tramos significa o procedimento para atingir o equilíbrio de pressões estáticas em pontos de junções de tubulações, de forma a conseguir em cada um dos tramos as vazões requeridas. 43

44 Balanceamento de Tramos A pressão estática na seção AA é a somatória da pressão cinética da aceleração do fluido em cada um dos captores, mais as perdas de carga em cada um dos tramos. 44

45 Balanceamento de Tramos Quando houver uma diferença entre as pressões estáticas calculadas em cada tramo, de 20% ou mais, deve-se redimensionar um dos tramos (geralmente o de menor perda de carga). Quando a diferença oscilar entre 5 e 20%, podese atingir o balanceamento, aumentado-se ligeiramente a vazão no tramo de maior perda de carga. 45

46 Balanceamento de Tramos Quando houver uma diferença entre as pressões estáticas menor que 5%, o sistema é considerado balanceado. 46

47 Considere o sistema acima de tubulação cilíndrica com 2 tramos, aqui denominados tramos 1 e 2; ambos transportando partículas de média/alta densidade. O tramo 1 tem trecho reto de 60 dm, e um cotovelo circular com raio de curvatura igual a 1,3D com ângulo de 60º. O tramo 2 tem trecho reto de 500 cm, e um cotovelo circular com raio de curvatura igual a 1,5D com ângulo de 90º. 47

48 Sabe-se que a tubulação é de polipropileno e que a mesma apresenta coeficiente de atrito igual a 0,15 e densidade de ar padrão. A vazão de projeto é de 6000 m3/h. A pressão cinética em cada tramo é de 0,5 N/m 2 Verifique se os tramos estão balanceados e informe qual a diferença de pressão estática entre eles. 48

49 Cálculo Tramo 1 Perda de Carga Total do Sistema Pc em cotovelo (ângulo de 60º) = 0,37 N/m 2 Pc no Trecho Reto = 654,5 N/m 2 Pc Total = 654,87 N/m 2 Pressão Estática = Perda de Carga + Pressão Cinética Pressão Estática = 654,87 N/m2 + 0,5 N/m2 = 655,37 N/m 2 49

50 Cálculo Tramo 2 Perda de Carga Total do Sistema Pc em cotovelo (ângulo de 90º) = 0,39 N/m 2 Pc no Trecho Reto = 545,45 N/m 2 Pc Total = 545,84 N/m 2 Pressão Estática = 545,84 N/m 2 + 0,5 N/m 2 = 546,34 N/m 2 50

51 Verificação do Balanceamento Tramo 1 Q = 1,67 m 3 /s Pe = 655,37 N/m 2 Tramo 2 Q = 1,67 m 3 /s Pe = 546,34 N/m 2 Conclusão: A diferença de pressão estática entre os tramos é de 20 %. O que fazer nesse caso, redimensionar tramo ou tentar corrigir a pressão estática? 51

52 Balanceamento de Tramos Quando houver uma diferença entre as pressões estáticas calculadas em cada tramo, de 20% ou mais, deve-se redimensionar um dos tramos (geralmente o de menor perda de carga). Quando a diferença oscilar entre 5 e 20%, podese atingir o balanceamento, aumentando-se ligeiramente a vazão no tramo de maior perda de carga. 52

53 Verificação do Balanceamento Tramo 1 Pe = 655,37 N/m 2 Q = 1,67 m 3 /s Tramo 2 Pe = 546,34 N/m 2 Q = 1,67 m 3 /s Q = 2,4 m 3 /s Refaça o exercício adotando agora Q = 2,4 m 3 /s Para o tramo 1. Verifique se o sistema está balanceado. 53

54 Cálculo Tramo 2 Perda de Carga Total do Sistema Pc em cotovelo (ângulo de 60º) = 0,37 N/m 2 Pc no Trecho Reto = 552,43 N/m 2 Pc Total = 552,8 N/m 2 Pressão Estática = 552,8 N/m 2 + 0,5 N/m 2 = 553,3 N/m 2 54

55 Verificação do Balanceamento Tramo 1 Q = 2,4 m 3 /s Pe = 553,3 N/m 2 Tramo 2 Q = 1,67 m 3 /s Pe = 546,34 N/m 2 Conclusão: A diferença de pressão estática entre os tramos é de 1,3 %. Sistema com balanceamento zerado. 55