Método dos Gases Traçadores Espectroscopia Fotoacústica Disciplina de MEEA-Departamento de Eng. Mecânica

Método dos Gases Traçadores

Espectroscopia Fotoacústica

Disciplina de MEEA-Departamento de Eng. Mecânica

Ventilação e Qualidade do

Ar

Tipos de Ventilação

Métodos de avaliação

Ventilação

Gases Traçadores

Objectivo

Objectivo da VentilaçãoObjectivo da Ventilação

Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004

OBJECTIVOOBJECTIVO

• Clima exteriorClima exterior inadequado• Elevado tempo de permanênciatempo de permanência no interior de edifícios• Diversas fontes de contaminantescontaminantes ( ocupantes, materiais, equipamentos)

Obtenção de condições de conforto em ambientes interioresconforto em ambientes interiores

“Conjunto de tratamentos a que deve ser submetido o ar com a finalidade de adaptar as suas características físicas às condições normais de conforto e higiene, de conservação de produtos ou de processos industriais.”

RELEVÂNCIARELEVÂNCIA


Ar



Ventilação

Gases Traçadores

Objectivo


• RelevânciaRelevância

Tempo de permanência das pessoas nos espaços interiores superior a 80%

ProblemaProblemaSíndroma do Edifício Doente (OMS)Síndroma do Edifício Doente (OMS)

• Sintomatologia diversa (irritações dos olhos, pele, nariz e garganta; fadiga mental e física; dores de cabeça; espirros; rouquidão; náuseas; vertigens)

• CausaCausa

Maior estanquicidade dos edifícios após a crise energética dos anos 70

• Ventilação insuficiente: 120 m3/hp 15 m3/hp 1 ren/h

0,1 e 0,2 ren/h

• Carga poluente elevada

Ventilação / Qualidade do ArVentilação / Qualidade do Ar


Ventilação / Qualidade do ArVentilação / Qualidade do ArCausas ProváveisCausas Prováveis

• Taxas de ventilação reduzidasTaxas de ventilação reduzidas (economia de energia)

• Carga poluente elevadaCarga poluente elevada

• Ocupantes (respiração, odores, fumo de tabaco); < 30% da contaminação global

• Materiais de construção e decoração (ex. Radão)

• Equipamentos e sistemas de AVAC (químicos e biológicos)

• Desconforto ambiental (iluminação, ruído, vibrações, temperatura, humidade, etc.)

DificuldadeDificuldade

Tempo admissível de exposição aos contaminantes e níveis de contaminação suportáveis mal conhecidos


Ar


Ventilação

Gases Traçadores


Objectivo


Tipos de VentilaçãoTipos de Ventilação

Ventilação localVentilação local

• Captação do ar junto à fonte de calor e/ou contaminantes• Não deve haver dispersão ou mistura do contaminante com ar

envolvente

Ventilação geralVentilação geral• Diluição/deslocamento de contaminantes por meio da insuflação de ar

novo• Distribuição do ar dependente dos caudais de ar circulados, localização

das grelhas, cargas térmicas do local e obstáculos• Sensação térmica fortemente dependente da distribuição do ar no

compartimento3 Tipos3 Tipos

• escoamento de misturamistura• escoamento de êmboloêmbolo• escoamento por deslocamentodeslocamento


Escoamento de MisturaEscoamento de Mistura• Sistema mais comummais comum• Insuflação de ar com VV (2 a 6 m/s), TITI e TT (6 a

14ºC) elevadoselevados• Regra geral insuflação com jactos parietaisjactos parietais• Elevada misturamistura (do ar “novo” com o ar interior)• Elevada uniformidadeuniformidade de propriedades• Campo de escoamento estávelestável (amortece

perturbações)• Pouco adequado para remoção de poluentes• Caso particular: escoamento de mistura em curto-

circuito


Escoamento de êmboloEscoamento de êmbolo

• Utilizado quando se requer elevados níveis de renovação do ar renovação do ar• Ausência de mistura mistura• Entrada de um dado volume implica a saída em “bloco”“bloco” de um

volume de ar equivalente• Pouco utilizado, face ao grande consumo energéticoconsumo energético (elevados

caudais)• Sistema de condutascondutas complexo (custo de instalação e manutenção

elevados)• Necessidade de grandes aberturasaberturas de insuflação e extracção• Remoção eficiente de contaminantescontaminantes• Sensível a perturbaçõesperturbações


Escoamento por deslocamentoEscoamento por deslocamento

• Introdução de ar fresco exterior junto ao pavimento, por uma abertura de grande superfície, com VV e TITI baixosbaixos

• Utilização de fontes de calorfontes de calor (ocupantes, equipamentos,...) para promover a ascensão do ar aos níveis superiores onde se faz a extracção

• Cria estratificaçãoestratificação (permite menores potências instaladas)

• Promove baixa mistura (maiores gradientes de propriedades)

• Zona ocupada com condições

semelhantes às do ar fornecido


Necessidade / Eficiência de VentilaçãoNecessidade / Eficiência de Ventilação

ObjectivoObjectivo• Diluição/deslocação de contaminantes

Caudais recomendadosCaudais recomendados• Locais de estar e quartos: mínimo de 15 m3/h 0,5 ren/h • Cozinhas e salas de banho:36 m3/h (sem utilização) 1,0 ren/h

36 x 3 m3/h 3,0 ren/h

• Locais de fumo: superior a 18 m3/hpEficiência de ventilaçãoEficiência de ventilação

Ce concentração de poluentes no ar de rejeiçãoCi concentração média de poluentes da zona útil i

ev C

C

ProblemaProblemaRedução de taxas de ventilação por questões de economia de energia

120 m3/hp 15 a 20 m3/hp 1 ren/h 0,1 e 0,2 ren/h


Ar


Ventilação

Objectivo

Gases Traçadores



• Modelação FísicaModelação Física• Medição exaustiva, no próprio espaço ou em modelos à escala real ou

reduzida, das grandezas físicas relevantes para a qualidade do ar ( V, T, HR, [C] )

• Estudos com grande volume de trabalho (demorados)• Dispendiosos

• Modelação NuméricaModelação Numérica• Resolução, por via numérica, das equações que regem o comportamento

dos escoamentos• Calcular evoluções espaço-temporais das grandezas físicas relevantes para

a qualidade do ar• Metodologia complexa (Dificuldade de modelação de diversos fenómenos)

• Métodos DescritivosMétodos Descritivos• Determinação de grandezas que permitem caracterizar de uma forma

integral o processo de ventilação na sua globalidade (ex. Taxa de renovação, eficiência, ...)

• Técnicas de medida: Painéis de avaliadores (avaliação subjectiva)

Gases traçadores (medição de concentrações)

Metodologia de estudoMetodologia de estudo


Como quantificar a ventilação?Como quantificar a ventilação?

A Ventilação é quantificada como o caudal de ar exterior que entra num determinado volume por hora.


O que é a monitorização com Gases O que é a monitorização com Gases Traçadores?Traçadores?

A Ventilação pode ser quantificada com a utilizaçao de Gases Traçadores quando o ar é marcado com algo facilmente identificavel.

Exemplo de Gases Traçadores:

• Hexafluoreto de Enxofre(SF6)• Freon 134a• Freon 152• Óxido Nitroso (N2O)


O que caracteriza um bom Gás O que caracteriza um bom Gás Traçador?Traçador?

• Incolor• Inodoro• Inerte• Não estar presente no ambiente• Densidade• Toxicidade• Detectavel• Explosividade

Sistema de avaliação da taxa de Sistema de avaliação da taxa de renovação de arrenovação de ar

http://www.innova.dk/Ventilation___Air-ex.indoor_climate0.0.html


Ar



Ventilação

Objectivo

Gases Traçadores


Métodos de avaliação da Taxa de Métodos de avaliação da Taxa de Renovação de ArRenovação de Ar

Variação da quantidade de Gás

traçador no compartimento

=

Quantidade de Gás traçador introduzido no compartimento -

Quantidade de Gás traçador que permaneceu no compartimento

• Concentração decrescenteConcentração decrescente

• Emissão constanteEmissão constante• Concentração constanteConcentração constante

MétodosMétodos


Método da Concentração DecrescenteMétodo da Concentração Decrescente

• Método mais simples;

• Medições durante um período de tempo curto

1

0

1

0

tt

tt dt

VQ

CdC

1

0

1

0

tt

tt t

VQ

Cln

)tt(VQ

ClnCln 01tt 01

t

ClnClnn 10 tt

t

ClnClnn 10 tt

t

VCCQ tt

)ln(ln10

t

VCCQ tt

)ln(ln10


• Utilizado quando se pretende determinar a taxa de renovação do ar renovação do ar

durante um período de tempo curto;durante um período de tempo curto;• Fornece bons resultados;• Consiste em: emitir uma pequena quantidade de gás traçador;

misturar o gás com a ajuda de ventiladores;

retira a fonte de emissão;

medir o decréscimo da concentração do gás traçador.• Equação de conservação do gás traçador:

dtV

Q

tC

tdCtQC

dt

tdCV

tCCQtSdt

tdCV e

)(

)()(

)(

))(()()(

dtV

Q

tC

tdCtQC

dt

tdCV

tCCQtSdt

tdCV e

)(

)()(

)(

))(()()(

Onde:Onde:V – volume de ar do compartimento [mV – volume de ar do compartimento [m33]]C(t) – Conc. do poluente no interior do comp. C(t) – Conc. do poluente no interior do comp. [m[m33/m/m33]]t – Tempo [s]t – Tempo [s]S(t) – Taxa de geração do poluente [mS(t) – Taxa de geração do poluente [m33/s]/s]Q- Caudal volúmico do ar introduzido no Q- Caudal volúmico do ar introduzido no comp. [mcomp. [m33/s]/s]Ce – Concentração do poluente no exteriorCe – Concentração do poluente no exterior



Exemplo 1Exemplo 1

• Calcular a taxa de renovação necessária para reduzir para 50 ppm a concentração de um contaminante cuja concentração inicial é de 1000 ppm.

h/ren31

50ln1000lnn

Exemplo 2Exemplo 2

• Pretende-se medir o caudal de insuflação de ar novo numa sala com 25 m3 de volume. Sabendo que em 30 min a concentração de um contaminante (ausente no ar novo) desceu de 0,3% para 0,03%, calcular Q.

h/ren6,45,0

300ln3000lnn

hm3

115256,4QVQ

n




• Procedimento:Procedimento: uma pequena quantidade de gás traçador é libertado no compartimento em análise, sendo promovida por meios mecânicos a sua mistura com o ar ambiente de uma forma tão homogénea quanto possível. Seguidamente é medido o decaimento da concentração do gás utilizado durante um dado período de tempo (relativamente curto).

Alternativa:Alternativa: Plotar os pontos em escala logarítmica. Fazer a regressão linear. A taxa de renovação é o simétrico do declive da recta.

h/ren57,336000246253.1497.1

ttyy

12

12

t C t ln C 0 4.47 1.497 63 4.28 1.454 124 4.09 1.409 185 3.84 1.345 246 3.50

63 61 61 61

1.253

Exemplo 3 Exemplo 3 Método do gás traçador (decaimento da concentração).


Método da Emissão ConstanteMétodo da Emissão Constante

Taxa de Renovação de Ar

• Caudal de Gás Traçador constante durante todo o período de medição;• Medições contínuas e ao longo de grandes períodos de tempo

n = Q / V [h-1]

n =F

V * C


Método da Concentração ConstanteMétodo da Concentração Constante

Taxa de Renovação de Ar

• Muito usado em zonas habitadas ;

• Medições durante longos periodos de tempo;

• Concentração na zona analisada permanece constante.

n = Q / V [h-1]

n() =F()

V * C


Detector Fotoacústico

Detecção Fotoacústica

O que é a Fotoacústica?

Absorção Infravermelha


IntroduçãoIntrodução

Detector de gasesprimitivo


Detecção FotoacústicaDetecção FotoacústicaExperiência de Alexander

Grahan Bell em 1880


Efeito FotoacústicoEfeito FotoacústicoSequência

•A amostra de gás é introduzida na câmara;

•A luz atinge a câmara de forma pulsada;

•O gás absorve a luz de forma proporcionl à sua concentração e

converte-a em calor;

•O gás aquece e arrefece consoante passa no chopper;

•Flutuaçõesde temperatura provocam variações de pressão;

•As ondas de pressão são detectadas por um microfone.


Componentes principais

• Câmara que contém a amostra de gás;

• Fonte de luz

• Forma de modular a luz em intensidade (chopper mecânico)

• Detector de som (microfone)

• Método de processamento de sinal







Radiação ElectromagnéticaRadiação Electromagnética

• A região infravermelha é a mais indicada para a análise quantitativa e qualitativa de gases;

• A absorção na região dos 900 cm-1 ate aos 1400 cm-1 é altamente selectiva.


Vibração das moléculasVibração das moléculas• Gás = conjunto de moleculas identicas que têm um movimento aleatório continuo.

• Temperatura do Gás é proporcional à velocidade das moleculas;

• Átomos em constante movimento mas limitados pelas ligações interatómicas;

• Frequência de ressonância, aproximadamente 1013 Hz.

A luz infravermelha é absorvida quando a vibração e a radiação têm a mesma magnitude.

Absorção da luz infravermelhaAbsorção da luz infravermelha


A luz infravermelha é transmitida quando a vibração e a radiação têm frequencias diferentes.

Interferência das espéciesInterferência das espécies


•Os vários gases que existem na atmosfera podem causar interferência na medição de outros gases;

• Apenas o vapor de água e o Dióxido de Carbono absorvem a radiação infravermelha.






PAS- SequênciaPAS- Sequência


1. Uma amostra de ar é introduzida na câmara de medida;

2. A radiação proveniente da fonte IV passa pelo chopper mecanico e pelo flitro óptico antes de chegar à camâra. A radiação IR é absorvida provocando variações de temperatura e pressão.

3. As variações de pressão correspondentes à frequência do chopper criam uma onda de pressão que pode ser detectada por microfones.

4. O signal do microfone, proporcional à concentração do gás, é processado e é calculado o resultado da medição.

Filtro ÓpticoFiltro Óptico


Fonte de IVFonte de IV


Célula FotoacústicaCélula Fotoacústica


Questões ?Questões ?


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