CONCEITOS E DEFINIÇÕES

A importância do ar para o homem é por demais conhecida sob o aspecto da necessidade de oxigênio para o metabolismo. Por outro lado, a movimentação de ar natural, isto é, através dos ventos, é responsável pela troca de temperatura e umidade que sentimos diariamente, dependendo do clima da região. A movimentação do ar por meios não naturais constitui o principal objetivo dos equipamentos de ventilação, ar-condicionado e aquecimento, transmitindo ou absorvendo energia do ambiente, ou mesmo transportando material, atuando em um padrão de grande eficiência sempre que utilizado em equipamentos adequadamente projetados.

Cabe ressaltar a forma pela qual se processa a transferência de energia e que dá ao ar capacidade de desempenhar determinada função.  A velocidade, a pressão, a temperatura e a umidade envolvem mudanças nas condições ambientais, tornando-as propícias ao bem-estar do trabalhador. A ventilação industrial tem sido e, continua sendo, a principal medida de controle efetiva para ambientes de trabalho prejudiciais ao ser humano.

O controle adequado da poluição do ar tem início com uma adequada ventilação de operações e processos industriais (máquinas, tornos, equipamentos etc.), seguindo-se uma escolha conveniente de um coletor dos poluentes (filtros, ciclones etc.). Todavia, ao se aplicar a ventilação em uma indústria, é preciso verificar antes, as condições das máquinas, equipamentos, bem como o processo existente, a fim de se obter a melhor eficiência na ventilação.

O Ar

Ar respirável (ar puro) é a camada atmosférica próxima ao nível do mar, de espessura aproximada de 1% a 2% do total da camada atmosférica. Essa camada permite, em condições normais, a sobrevivência do ser humano. A composição média do ar respirável apresenta os seguintes componentes principais:

• N₂ - 78,03%
• O₂ - 20; 99%
• CO₂ - 0,03%
• H₂O - 0,47%
• Outros gases - 0,49%

Isto é:

Onde:

• T - Taxa de renovação em l/h
• Q - Vazão em m³/h
• V - Volume do ambiente em m³

Isto é:

Onde:

• Q - Vazão em m³/h
• V - Volume em m³
• t - Tempo em h

No quadro a seguir, são indicadas as relações de espaço ocupado e vazões necessárias para diversas situações.

Segundo Macintyre (1990), o cálculo da vazão volumétrica de ar que entra no recinto através de aberturas é dado por:

Onde:

• Q - é a vazão volumétrica de ar, em m³/s
• $$\varphi$$ - é o coeficiente de eficiência das aberturas (para ventos perpendiculares à parede: $$0,5\ \le\ \varphi\ \le\ 0,6$$ para ventos diagonais à parede: $$0,25\ \le\ \varphi\le\ 0,35$$).
• V – é velocidade que corresponde a cerca de 50% do valor da velocidade média sazonal dos ventos locais, em m/s.
• A – é a área total das aberturas de entrada ou de saída (consideradas iguais), em m².

TROCA DE CALOR COM O CORPO HUMANO

Esses fatores ajudam o metabolismo na transformação de matéria em energia vital, oferecendo condições de saúde e bem-estar. A energia produzida pelo organismo humano na unidade de tempo pode ser avaliada em função do consumo de oxigênio respirável absorvido pelo organismo, ou seja:

São os seguintes os fatores ambientais e individuais que influenciam na sensação térmica:

A exposição do trabalhador às temperaturas extremas pode ser entendida pela expressão a seguir (balanço térmico):

Onde:

• S – Calor acumulado no organismo
• M – Calor produzido pelo metabolismo
• C – Calor ganho ou perdido por condução/convecção
• R – Calor ganho ou perdido pela radiação
• E – Calor perdido por evaporação

A seguir, vamos detalhar mais alguns conceitos importantes.

A avaliação da exposição ocupacional ao calor toma por base o índice de bulbo úmido termômetro de globo (IBUTG) relacionado à taxa metabólica (M), calculado pelas seguintes equações:

Para ambientes internos ou externos sem carga solar direta:

Para ambientes externos com carga solar direta:

Onde:

• tbn - Temperatura de bulbo úmido natural em °C (70% – depende da umidade relativa do ar).
• tg - Temperatura de globo em °C.
• tbs - Temperatura de bulbo seco (temperatura do ar) em °C.

SISTEMAS DE VENTILAÇÃO

Isso é verdadeiro, pois a construção padrão de edifícios para ocupação humana não pode prevenir a infiltração ou a saída de quantidades de ar, mesmo quando todas as janelas, portas e aberturas no forro estiverem fechadas. Dados públicos sobre as quantidades de ar, normalmente, disponíveis pela ventilação natural ou infiltração, indicam que a sufocação por deficiência de oxigênio ou excesso de gás carbônico, como resultantes da respiração humana, é potencialmente impossível em construções não subterrâneas. Para a classificação dos sistemas de ventilação, é preciso levar em conta a finalidade a que se destinam.

Os sistemas que requerem qualquer tipo de renovação do ar são classificados em:

• Ventilação natural ou espontânea.
• Ventilação artificial, forçada ou mecanizada.

MÉTODOS DE DISTRIBUIÇÃO DO AR

Para os processos citados, quanto à renovação, podemos distribuir o ar no recinto de várias maneiras, conforme as condições apropriadas do recinto, definidas pelo projeto, seja arquitetônico ou de planta industrial.

• Distribuição de cima para baixo.
• Distribuição para baixo e para cima.
• Distribuição de baixo para cima.
• Distribuição cruzada.
• Distribuição mista.
• Distribuição especial em duto, em minas ou espaços confinados.

Saiba mais sobre cada uma delas a seguir!

Ar-Condicionado

O ar pode ser condicionado artificialmente. Segundo definição da ASHRAE (2001),

As aplicações do ar-condicionado são inúmeras e podemos citar as seguintes:

• Processos de fabricação de certos produtos com controle de umidade, temperatura e pureza, por exemplo: fabricação de produtos farmacêuticos, alimentícios, impressão de cores, industriais têxteis, de solventes etc.
• Conforto do indivíduo e produtividade.
• Ambientes hospitalares: salas de operação, salas de recuperação e quartos para tratamento de doentes alérgicos etc.

Para projetar as instalações de ventilação mecanizada é importante que o engenheiro de segurança do trabalho verifique, corretamente, o dimensionamento de seus elementos e a determinação das perdas de cargas com o objetivo de determinar a potência mecânica de acionamento do motor para promover a renovação do ar ambiente. O dimensionamento dos diversos elementos está ligado, diretamente, à vazão, à velocidade e às áreas de entrada e saída do ar, segundo a equação geral:

Onde:

• Q – Vazão em m³/h
• A – Área em m²
• V – Velocidade em m/s

Como já foi destacado, a ventilação local exaustora tem como objetivo principal captar os poluentes de uma fonte (gases, vapores ou poeiras toxicas) antes que eles se dispersem no ar do ambiente de trabalho, ou seja, antes que atinjam a zona de respiração do trabalhador. A ventilação de operações, processos e equipamentos, dos quais emanam poluentes para o ambiente, é uma importante medida de controle de riscos.

A fim de que os poluentes emitidos por uma fonte possam ser tratados em um equipamento de controle de poluentes (filtros, lavadoras etc.), eles têm de ser captados e conduzidos a esses equipamentos, e isso é realizado por um sistema de ventilação local.

Onde:

• 1 - Captor
• 2 - Sistema de dutos
• 3 - Ventilador
• 4 - Equipamento de controle de poluição do ar

EMPREGO DA VENTILAÇÃO GERAL

Para a aplicação da ventilação geral, no tocante à manutenção das condições de conforto, diversos procedimentos devem ser atendidos, entre eles, o cálculo da quantidade de ar para produzir correntes de ar com as velocidades compreendidas entre 1,5 e 15m/min, já que esse intervalo é o recomendado para melhorar a sensação de conforto. Por exemplo, para um ambiente de escritório (10 trocas de ar/hora), com cerca de $$1.200m^3\ (30 \ \times 10\ \times 4m)$$, onde operam 30 colaboradores, o volume de ar necessário é de $$10\ \times \ 1200\ =\ 12.000m^3/h$$.

O emprego da ventilação geral diluidora, com sucesso, para a dispersão de contaminantes, depende dos seguintes aspectos:

• O poluente gerado não deve estar presente em quantidade que exceda a que pode ser diluída com um adequado volume de ar.
• A distância entre os trabalhadores e o ponto de geração do poluente deve ser suficiente para assegurar que os trabalhadores não estarão expostos a concentrações médias superiores ao limite de tolerância.
• A toxicidade do poluente deve ser baixa.
• O poluente deve ser gerado em quantidade razoavelmente uniforme.

Diversas razões levam à não utilização frequente desse tipo de ventilação para poeiras e fumos. A quantidade de material gerado é, usualmente, muito grande e a sua dissipação pelo ambiente é desaconselhável. Além disso, o material pode ser muito tóxico, requerendo, portanto, uma excessiva quantidade de ar de diluição.

A taxa de ventilação – $${Q}_{n}$$ é a vazão de ar que o sistema de ventilação diluidora introduz ou remove de seu ambiente. $${Q}_{n}$$ é determinada pela equação, a seguir:

Onde:

• K – Fator de segurança. Com o emprego de bons difusores para entrada de ar utilizar $$K\ =\ 6$$ (para substâncias moderadamente tóxicas) e $$K\ =\ 3$$ (para substâncias levemente tóxicas).
• G – Taxa de geração da substância que se quer diluir (kg/h).
• M – Massa molecular (g/mol).
• Leo – Limite de exposição ocupacional (ppm) - (valor desejável).

Observe um exemplo de cálculo para a seguinte situação:

EMPREGO DA VENTILAÇÃO LOCAL EXAUSTORA

Um sistema de ventilação local exaustora deve ser projetado de acordo com os princípios de engenharia, ou seja, de maneira a se obter maior eficiência com o menor custo possível. Por outro lado, devemos lembrar que, na maioria dos casos, o objetivo desse sistema é a proteção da saúde do homem. Assim, esse fator deve ser considerado em primeiro lugar, e todos os demais devem estar condicionados a ele.

Muitas vezes, a instalação de um sistema de ventilação local exaustora, embora bem dimensionada, pode apresentar falhas que a tornem inoperante, pela não observância de regras básicas na captação de poluentes na fonte. O enclausuramento de operações ou processos, a direção do fluxo de ar, entre outros fatores, são condições básicas para uma boa captação e exaustão dos poluentes.

Como exemplo, a seguir, temos a maneira correta de se proceder, comparada com as situações que tornam a exaustão inoperante, nos casos específicos de descarregamento de correias transportadoras e tanques de lavagem. Os captores envolvem todo o sistema não permitindo emissões fugitivas formando correntes de fluxo ascendente.

Esses captores devem induzir, na zona de emissão de poluentes, correntes de ar em velocidades tais que assegurem que os poluentes sejam carregados por essas correntes de ar para dentro do captor. A velocidade do ar deve ser suficiente para captar o poluente no ponto mais desfavorável do sistema. Essas velocidades são fornecidas em tabelas relacionadas diretamente ao tipo e à formação do poluente.

São os principais tipos de captores:

Para Macintyre (1990), a pressão estática é a soma da pressão dinâmica $$h_v$$ com a perda de carga $$ \Delta p$$, na qual a energia de pressão se transforma em pressão dinâmica $$h_v$$ para vencer a perda de carga, ou seja:

Sendo que a pressão dinâmica - $${h}_{v}$$ é determinada por:

Onde:

• V – Velocidade no duto captor, em m.s^-1.
• $$\gamma$$ - Peso específico do fluido, em kgf.m^-3
• g - Intensidade do campo gravitacional, em $${m.s}^{-2}$$
• $${h}_{v}$$ - Pressão dinâmica, em mmH2O

Já o fator de perda de carga F é determinado por:

Onde:

• F - Fator de perda de\carga
• C_e - Coeficiente de entrada

Cabe registrar, como exemplo, a formulação para o cálculo da vazão de aspiração do captor tipo coifa aberta, dado pela equação:

Onde:

• Q2 - É a vazão de aspiração do captor, em m³/s
• P - É o perímetro do tanque, em m
• V - É a velocidade de captura, em m/s
• D - É a distância entre o tanque e a abertura (altura) da coifa, em m

Para o cálculo da vazão de ar necessária em uma coifa de forno, utiliza-se a equação, a seguir:

Onde:

• $${Q}_{v}$$ - É a vazão de ar, em m³/s
• A - É a área da coifa de forno, em m²
• v - É a velocidade de face, em m/s (considera-se v = 0,5m/s)

É importante salientar que os dutos do sistema de ventilação local exaustora devem possuir seção circular, sempre que possível, a fim de evitar arestas ou zonas de velocidade reduzida, que possibilitam a estagnação dos contaminantes. Como o sistema de exaustão possui uma série de tubos e elementos, a perda de carga deve ser considerada, pois ela ocorre por meio do atrito entre o gás e as paredes internas da tubulação, convertendo a energia mecânica em energia térmica.

O resultado desse atrito causa a diminuição no nível de pressão total do sistema, que deverá ser compensado posteriormente. Além da perda de carga pelo atrito entre o fluido e o duto, cotovelos, junções, curvas e reduções causam distúrbios no fluxo do ar, e representam pontos em que ocorrem perda de carga localizada. O dimensionamento do sistema de dutos está estruturado a partir da equação de continuidade e do princípio de conservação de energia para os fluidos em escoamento, ou equação de Bernoulli (MACINTYRE, 1990).

Na medida em que sabemos que $${S}\ =\ {Q}\ /\ {V}$$ podemos concluir que:

Onde:

• Q - É a vazão, em m³.s^-1
• S - É a área transversal da secção de escoamento, em m²
• V - É a velocidade média de escoamento do ar, em m.s^-1
• d - É o diâmetro do duto, em m.

Sendo que:

Onde:

• $$h_v$$ - Pressão dinâmica, em mmH₂O
• $$\Delta p$$ - Perda de carga na peça, em mmH₂O

A seguir, a tabela para a determinação de K, quando no caso de derivações.

Basicamente, há dois tipos de ventiladores: os axiais e os centrífugos, conforme as imagens:

Onde:

• N - Potência motriz do ventilador, em cavalo vapor (Cv)
• Q - Vazão do sistema, em m³/s
• $$\Delta p$$ - Perda total de carga do sistema, em mmH₂O
• $$Ƞ$$ - Rendimento do ventilador

Segundo Macintyre (1990), os poluentes, uma vez captados e conduzidos em dutos pela ação dos ventiladores, devem ser coletados, eliminados do ar, recolhidos e tratados de modo com que o ar purificado possa ser liberado na atmosfera. Para Costa (2005), os principais equipamentos que realizam os objetivos de separar, coletar e dar uma destinação aos poluentes são: