UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO ESPECIALIZAÇÃO em ENGENHARIA de SEGURANÇA do TRABALHO Ventilação Aplicada à Engenharia de Segurança do Trabalho (2ª Aula) Prof. Alex Maurício Araújo Recife - 2009
Ventilação Geral Natural Tipos de Ventilação Geral (VG) VG consiste na movimentação de massas de ar através de espaços confinados. VGN é a VG com indução da entrada e saída do ar de um recinto sob forma controlada de aberturas (janelas, portas e lanternins). Ocorre com admissão e escape natural do ar. VGD é a VG para o controle da concentração ambiental de gases, vapores e partículas. (3ª. aula) Modos de VGD 1-Insuflação mecânica e escape natural; 2-admissão natural e exaustão mecânica; 3-insuflação e exaustão mecânicas.
LANTERNINS Os Lanternins são aberturas, dispostas na cobertura de edificações, para propiciarem ventilação e iluminação naturais dos ambientes. O funcionamento dos lanternins é devido à diferença de densidade do ar ambiental ao ganhar calor. O ar, ao ser aquecido, fica menos denso e ascende para a cobertura. Quanto maior a altura da cobertura, mais significativa será a ascensão do ar. Do ponto de vista da ventilação natural, os lanternins apresentam ótimo desempenho quando aplicados em pavilhões altos onde o processo industrial desprende muito calor e, eventualmente, poluição. O uso de lanternins para ventilação natural deve levar em consideração os seguintes fatores: - Os dimensionamentos das áreas de lanternins devem ser adequados e compatíveis com as aberturas, para ingresso de ar, no nível inferior da edificação; - Os ambientes ventilados por lanternins ficam com pressão negativa em relação ao ambiente externo. Este fato faz com que uma eventual poluição nas proximidades do prédio migre para o interior do mesmo; - Em locais com inverno rigoroso, devem ser tomadas providências de fechamento parcial das aberturas para melhorar as condições de conforto ambiental nos dias de muito frio. Atualmente, a indústria disponibiliza uma série de lanternins padronizados que asseguram a passagem do ar sem criar problemas de infiltrações de água. Os lanternins, quando aplicados de maneira adequada e quando bem dimensionados, passam a integrar uma boa opção para ventilação de ambientes, sem consumir energia.
Ventilação Geral Natural Infiltração: é o movimento de ar não controlado num recinto por meio de aberturas existentes. VGN é o deslocamento do ar através do recinto, via aberturas, umas funcionando como entrada e outras, como saída. As aberturas devem ser dimensionadas e posicionadas de modo a gerar um fluxo de ar adequado. - Δp entre exterior e interior; Fluxo de ar depende : - resistência ao fluxo de ar nas aberturas (perda de carga); - obstruções internas; - incidência do vento (localização / posição) e forma do edifício.
Mecanismos da VGN : - ação direta dos ventos (Δp); - efeito chaminé (ΔT e Δρ Δp); - ação combinada dos 2 acima. (*) ( * ) A Δp é resultante da ação do vento sobre as paredes e coberta e da Δρ do ar exterior e interior do prédio (efeito chaminé). VGN por ação dos Ventos Não oferece garantia de uniformidade, devida às variações dos ventos, porém deve ser adotada, desde que o ar interno não contenha poluentes. Entrada de ar nas aberturas em paredes com sobrepressões (+). Saída de ar nas aberturas em paredes com subpressões (-).
Ventilação por ação dos ventos / distribuição das pressões Ação dinâmica provocada pelo vento que ao contornar uma edificação cria distribuições não uniformes de pressões com especial importância nas aberturas onde as diferenças de pressões promovem escoamentos no sentido das altas para as baixas pressões.
Aproveitamento do Movimento do ar As posturas municipais estabelecem exigências mínimas para a orientação do projeto, por ex. : 1 superfície iluminante natural dos locais de trabalho deve ser no mínimo (1/6 ou 1/5) do total da área do piso; 2 a área de VGN deve ser no mínimo (2/3) da superfície iluminante natural. Projetam-se aberturas de entrada de ar voltadas para o lado dos ventos predominantes (zona de pressão (+)); As saídas do ar devem estar nas regiões de baixa pressão exterior (paredes laterais e oposta aquela que recebe o vento predominante); Projetam-se lanternins e clarabóias ventiladas no telhado onde a pressão é baixa.
Clarabóia Instalada sobre base em fibra de vidro, de perfil especial, acoplável a qualquer tipo de cobertura de unidades industriais ou comerciais. Os sistemas de abertura manual ou elétrica, que se instala, permitem maior ventilação e iluminação constituindo num investimento em segurança contra incêndio pela retirada de fumaça do ambiente.
Fluxos de Ar através dos Recintos 1) Posições e dimensões das aberturas exercem grande influência na qualidade e quantidade da ventilação interna. Espaços internos vazios (em planta) (Ref. 2, pg. 130) (Ref. 2, pg. 130)
Espaços internos parcialmente divididos (em planta) (Ref. 2, pg. 131)
2) Influência da disposição das aberturas de E/S do ar em fachadas opostas (em corte) (Ref. 2, pg. 132)
3) Influência da vegetação externa na ventilação do recinto. (Ref. 2, pg. 133)
Casos típicos de Ventilação Natural em galpões.
Efeitos da distância entre obstáculo e edificação com relação ao sentido da Ventilação Natural interna.
Ventilação natural por diferença de pressão causada pelo vento Para que a edificação seja ventilada devido à diferença de pressão provocada pelo vento não basta que a mesma seja simplesmente exposta ao vento. É necessário que os ambientes sejam atravessados transversalmente pelo fluxo de ar, como mostra a Figura. Ventilação cruzada A ventilação cruzada ocorre, essencialmente, devido à existência de zonas com diferentes pressões, ou seja, na face de incidência do vento existe uma zona de alta pressão e na face oposta, uma zona de baixa pressão.
Torres de vento São captadores altos, adequados para as casas de tijolos ou blocos. Funciona também quando não há brisa, porque a temperatura dentro da torre é diferente da temperatura externa, e o ar quente da casa sempre circula. Com o vento entrando por um lado da torre e saindo pelo outro, o ar quente dos quartos é sugado até a torre, fazendo com que o ar fresco entre pelas janelas. No inverno, se fecha as aberturas entre a torre e os cômodos. Corte de uma casa com torre, e como construí-la. O teto e as partes cruzadas são de tijolos, e as laterais são de tijolos vazados. A circulação de ar fresco é regulada através das portas entre a torre e os cômodos e das janelas das paredes externas. As paredes cruzadas começam acima das portas ou da abertura do piso mais elevado.
Exemplos Uma casa do estilo árabe com torres do vento Bastakiya, com suas torres de vento e ruelas pertadas, é a região mais antiga de Dubai A brisa nas frestas dos badgirs aspira o bafo morno das casas, substituído pelo ar refrescado pela evaporação dos lagos próximos (Irã).
Ventilação unilateral No caso de ambientes sem abertura para saída do vento, tem-se a ventilação unilateral. Uma janela que funciona bem cumpre os seguintes requisitos:
Estimativa do Fluxo de Ventilação gerada por ação direta dos Ventos O uso dos ventos para produção de ventilação deve considerar : Velocidade média do vento; Direção predominante; Variações diárias e sazonais; Interferências locais por obstruções. Como base de cálculo, dimensiona-se para uma velocidade de 50% do valor da velocidade média sazonal local. Obs.: Dados diários em ( http://www.cptec.inpe.br/ )
Cálculo da Q ar (ft 3 /min) que entra num recinto através de aberturas Q v = φ A V A aberturas de área total (ft 2 ) V 50% da velocidade média sazonal dos ventos locais (ft/min). φ (coeficiente de eficiência das aberturas) 0,5 a 0,6 p/ ventos perpendiculares à parede. 0,25 a 0,35 p/ ventos diagonais A maior vazão de ar por unidade de área é obtida quando as áreas de entradas e de saídas são iguais. Quando são diferentes, faz-se o cálculo, considerando-se a menor das áreas de passagem do ar, e acrescenta-se um aumento de vazão obtido no gráfico adiante:
Gráfico para obtenção do aumento de vazão causado pelo excesso de área de uma abertura sobre a outra Voltar S15 Voltar S22
Exemplo.: Qual a vazão de ar que entra num recinto perpendicular a uma parede onde há 4 aberturas de (4 x 1,50) m 2 sendo a velocidade média sazonal do vento de 2 m/s? A = 4 x (4x 1,50) = 24 m 2 V = 0,5 x 2 m/s = 1m/s Φ = 0,5 vento perpendicular à parede Q v = 0,5 x 24 x 1 = 12m 3 /s = 720 m 3 /min 25350 ft 3 /min Esta produção potencial de ventilação pode ser comparada aos Padrões de Ventilação Geral atenderia aprox. 500 pessoas em sala de reuniões. Aplicação Q (pés 3 /min/pessoa) Sala de reuniões 50 Fábricas 10 Laboratórios 20
Fluxo de vento por ΔT ( efeito chaminé ou por gravidade ) É o sistema de VGN pelo qual o deslocamento do ar é favorecido por aberturas situadas na parte superior do recinto e causado pela Δρ originadas das ΔT entre ar interno e externo. Os ganhos de calor a que o recinto fica submetido ocasionam a ΔT. O ar aquecido fica mais leve e sobe. Se o recinto tiver aberturas próxima ao teto, o ar interno, sairá por cima, enquanto o ar externo entrará pelas aberturas mais próximas ao piso, estabelecendo o efeito chaminé.
Efeito Chaminé A diferença entre as temperaturas do ar interior e exterior provocam um deslocamento da massa de ar da zona de maior para a de menor pressão. Quando, nestas condições, existem duas aberturas em diferentes alturas, se estabelece uma circulação de ar da abertura inferior para a superior, denominada efeito chaminé. Ele não é muito eficiente em casas térreas pois depende da diferença entre as alturas das janelas. Como depende, também, das diferenças entre a temperatura do ar interior e exterior, para climas quentes, especialmente no verão, esse mecanismo de ventilação não deve ser visto como a forma mais eficiente de gerar situações de conforto térmico e/ou remover o excesso de calor acumulado no interior da edificação. Neste caso, deve-se dar maior importância à ventilação dos ambientes pelo efeito do vento. Esquema de ventilação com efeito chaminé no forro do telhado
A movimentação de ar devida ao efeito de chaminé pode ser calculada pela equação: Q t = 9,4 A h( T i Te) ( vazão de ar cfm) 9,4 - cte. para efetividade das aberturas; 7,2 -se as condições do fluxo entre a entrada e saída não forem favoráveis. A área livre das entradas ou saídas, supostas iguais * (pé 2 ). h - distância vertical entre as aberturas de entrada e saída, medida a partir de seus centros (pé). T i temperatura média do ar interior na altura das aberturas de saída ( F). T e - temperatura média do ar externo ( F). * Havendo distribuição desigual de aberturas, utiliza-se a menor área, ou de entrada ou de saída, e adiciona-se o aumento de vazão obtido no gráfico do slide 15 de correção para aberturas desiguais.
Chads e Lanternins Propostas da engenharia de jogar o vento para dentro do edifício produzindo a exaustão para combater problemas com o calor e renovar o ar. Depende do vento estar vindo de um sentido favorável. Nos dias de chuvas ou ventos fortes ocorre a entrada de folhas, papéis, gravetos, poeira e água, além de ocorrer a visita de pequenos animais. Quando a corrente de ar é favorável, no caso dos Lanternins, a maior parte do vento passa direto pela abertura impedindo que o ar quente continue sua ascensão natural, o pouco vento que consegue entrar apenas empurra o ar quente para baixo agravando o problema, no caso de fumaça ou gases ele apenas os espalha ainda mais pelo prédio. Com o Chad, além dos problemas acima, apenas uma das aberturas é capaz de receber o vento, as outras o recebem em quantidade muito pequena (esteira).
Exaustores Estáticos Os exaustores estáticos como o próprio nome diz, não giram, por isso não são capazes de causar o vácuo necessário para a exaustão efetiva do ar quente, apenas aproveitam sua tendência natural de subir constituindo assim SAÍDAS PARA O AR, mas não em vazões satisfatórias. Alguns são providos de hélices muito leves que giram pela força de ascensão do ar quente, diminuindo ainda mais a abertura por onde a corrente passaria.
Combinação dos efeitos da ação direta dos ventos com diferença de temperatura A combinação dos efeitos é efetuada pelo uso do gráfico. Após o cálculo separado de Q v e Q t somam-se e obtém-se Q T = vazão total. Calcula-se a relação (Q t /Q T ), abscissa do gráfico, e encontra-se o fator multiplicador de Q t para se obter a vazão combinada real Q T = Q v + Q t = Q t. Voltar
Fluxo de ar por VGN para remoção de calor sensível q = m c p ΔT q = m c p ΔT = Q M c p ΔT = ( Q) c p ΔT, então: Q = q / c p ΔT = q / 1,08 (T i T e ) Q vazão de ar (pés 3 /min) (cfm) q calor removido (Btu/h) C p calor específico à p = cte. (0,24 Btu/lb x F) - massa específica do ar padrão (0,075 lb/pés 3 ) (T i T e ) diferença de temperatura ( F) Q M vazão mássica de ar (lb/min) lembrete: 1.08 = 60 c p para ter Q em cfm. Conhecida a quantidade de calor a ser removida ( q ), e especificandose uma ΔT = T i T e, pode-se estimar a vazão de ar (Q) que deve atravessar o edifício. q calor removido (Btu/h) Q (pés 3 /min) (T i ) (Te)
EXEMPLO : Um galpão industrial apresenta as dimensões de (30m x 10m x 5m) e os equipamentos dissipam uma quantidade de calor de 3000 Btu/min na sua operação industrial. A temperatura exterior é de 26 C (80 F) e a interior deve ser mantida igual a 32,8 C (91 F). A área das aberturas de entradas é de 7 m 2 e das de saída é de 12 m 2. O vento sopra perpendicularmente à fachada, com uma velocidade média de 3km/h (164 ft/min). Analisar as condições de ventilação natural da fábrica.
A. Cálculo da vazão de ar necessária para a remoção do calor gerado no ambiente Q vazão de ar (pés 3 /min) (cfm) Q = q / 1,08 (T i T e ) q calor removido (Btu/h) (T i T e ) diferença de temperatura ( F) Q = (3000Btu / min*60 min/h) / (1,08*(91-80) F) = 15151 cfm B. Cálculo da vazão de ar devida à pressão do vento Q v = φ A V = 0,55 * 7m 2 * 164 ft/min = 6794 cfm; A = menor área 75,32 ft 2
C. Cálculo da vazão de ar pela diferença de temperaturas (efeito chaminé) Q t = 9,4 * A * h ( T i T ) = 9,4 * 75, 32 * 3,28*(91 80) = 4253 cfm * e h = 1 m = 3,28 ft (da figura) D. Correção da Qv e Q t devido à diferença de áreas de abertura de entrada e saída A A s e 129,12 1,714 75,32 Gráfico slide 15 20% E. Q v = 6794 * 1,20 = 8153 cfm Q t = 4253 * 1,20 = 5104 cfm F. Cálculo da vazão total devida à ação simultânea do vento e T QT = Qv + Qt = 8153 + 5104 = 13257 cfm G. Relação entre (Q t / Q T ) 5104/13527 = 0,38
H. Estimativa da vazão real de ar Q Q t T = 0,38 Gráfico slide 22 = 1,9 Q T = 1,9 * 5104 = 9698 cfm I. Análise comparativa A vazão de ar necessária para remoção do calor no processo é de 15151 cfm e a obtida por ventilação natural só remove 9698 cfm. Portanto, para atender à diferença: 15151 9698 = 5453 cfm, deve-se estudar as seguintes alternativas: a) Aumentar a ventilação natural por meio de aumento das áreas de entrada e saída e aumento da altura do galpão. b) Fazer ventilação forçada ou mecânica
Regras gerais para o projeto da VGN 1) Edifícios e equipamentos de ventilação não devem ser orientados para uma dada direção de vento. Devem ser projetados para ventilação efetiva com todas as direções de vento. 2) Aberturas de entrada não devem ser obstruídas por edifícios, árvores, etc. 3) Uma vazão de ar por unidade de área maior é obtida usandose áreas iguais das aberturas de entrada e de saída. 4) Deve haver uma distância vertical máxima possível entre as aberturas de entrada e de saída, de modo que a ΔT possa produzir um deslocamento de ar adequado.
Limites da climatização natural Para se obter o valor da T interna máxima, soma-se ao valor da T externa média parcelas positivas de ganho de calor, relativas à transmissão pelos materiais. Locais onde esse valor da T externa média já é superior ao limite do conforto humano, ou seja, 28 C, não é possível garantir, nas construções, temperaturas dentro da faixa de conforto apenas usando recursos naturais. No entanto, deve-se tentar garantir à edificação um ganho de calor solar mínimo. Assim, a potência do equipamento necessário à climatização artificial e o seu consumo de energia serão tão menores quanto menor for a diferença das temperaturas interna e externa. Para locais onde a T externa média varia entre (18 28) C, há condições teóricas de se obter nas edificações temperaturas dentro do limite do conforto humano, usando-se apenas climatização natural.
Previsão da direção e velocidade dos ventos Dados de previsão diários em ( http://www.cptec.inpe.br/ ) seguir a seqüência: (ondas/região/estado/cidade) (ondas-altura e direção; e ventos-magnitude e direção, para D, 1D, 2D, 3D e 4D) O "01Z, 04Z, 07Z, etc" que consta no mapa de altura e direção das ondas significa 01h Zulu. Por exemplo: 01Z =22h de Brasília, ou seja, 3 horas a menos em horário normal e 2 horas a menos no horário de verão. Zulu - Coordenadas do Tempo: um dos vários nomes para às 24 horas do dia, usado pelas comunidades científicas e militares. Outros nomes para esta medida de tempo são Coordenadas Universais do Tempo (UTC) e Tempo Médio de Greenwich (GMT). (http://sonda.cptec.inpe.br) Projeto SONDA- SISTEMA DE ORGANIZAÇÃO NACIONAL DE DADOS AMBIENTAIS
TEMPERATURA Variação anual de T para a região do Porto de Recife, observa-se o maior aquecimento entre o verão e o outono, com valores médios mensais superiores a 26ºC entre os meses de fevereiro e maio, resfriamento entre os meses de julho a outubro, com valores entre 23,5ºC e 24ºC. NCEP/NCAR (National Center for Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research), 1996. Global Atmospheric Analyses.
UMIDADE ESPECÍFICA É definida como a massa de vapor d'água contida numa coluna de ar (ar seco + vapor d'água). Os maiores valores ocorrem no outono, e os menores no inverno,acompanhando o mesmo padrão observado para a variável temperatura.
VENTOS Os ventos predominantes na região vêem de leste, c/ maior intensidade no período de junho-agosto. U e V referem-se às componentes zonal (leste-oeste) e meridional (norte-sul) dos ventos. Intensidade e direção dos ventos na região de estudo (médias mensais) Fonte: NCEP, 2004. V E N T O S
EVAPORAÇÃO Em Meteorologia o termo evaporação é usado para designar a transferência de água para a atmosfera, sob a forma de vapor. Série climatológica de evaporação ( 1961-1990 ). A evaporação é mais intensa no mês de abril e menos intensa nos meses de maio e junho.
(Fim da 2a. Aula) Avaliação da T interna máxima resultante -Cálculo da T interna máxima para as diversas alternativas de projeto -Comparação da T interna máxima obtida com os índices de conforto Há alternativa possível dentro dos limites de climatização natural?