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

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

2 Ventilação e Qualidade do Ar Tipos de Ventilação Métodos de avaliação Ventilação Gases Traçadores Objectivo

3 Objectivo da Ventilação Lisboa, 3 de Novembro de 2004 OBJECTIVO Clima exterior Clima exterior inadequado tempo de permanência Elevado tempo de permanência no interior de edifícios contaminantes Diversas fontes de contaminantes ( ocupantes, materiais, equipamentos) conforto em ambientes interiores Obtenção de condições de conforto 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. RELEVÂNCIA

4 Ventilação e Qualidade do Ar Tipos de Ventilação Métodos de avaliação Ventilação Gases Traçadores Objectivo

5 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Relevância Relevância Tempo de permanência das pessoas nos espaços interiores superior a 80%Problema 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) Causa Causa Maior estanquicidade dos edifícios após a crise energética dos anos 70 Ventilação insuficiente: 120 m 3 /hp15 m 3 /hp 1 ren/h0,1 e 0,2 ren/h Carga poluente elevada Ventilação / Qualidade do Ar

6 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Ventilação / Qualidade do Ar Causas Prováveis Taxas de ventilação reduzidas Taxas de ventilação reduzidas (economia de energia) Carga poluente elevada Carga 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.) Dificuldade Tempo admissível de exposição aos contaminantes e níveis de contaminação suportáveis mal conhecidos

7 Ventilação e Qualidade do Ar Métodos de avaliação Ventilação Gases Traçadores Tipos de Ventilação Objectivo

8 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Tipos de Ventilação Ventilação local Captação do ar junto à fonte de calor e/ou contaminantes Não deve haver dispersão ou mistura do contaminante com ar envolvente Ventilação 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 compartimento 3 Tipos mistura escoamento de mistura êmbolo escoamento de êmbolo deslocamento escoamento por deslocamento

9 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Escoamento de Mistura mais comum Sistema mais comum VTI T elevados Insuflação de ar com V (2 a 6 m/s), TI e T (6 a 14ºC) elevados jactos parietais Regra geral insuflação com jactos parietais mistura Elevada mistura (do ar novo com o ar interior) uniformidade Elevada uniformidade de propriedades estável Campo de escoamento estável (amortece perturbações) Pouco adequado para remoção de poluentes Caso particular: escoamento de mistura em curto- circuito

10 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Escoamento de êmbolo renovação do ar Utilizado quando se requer elevados níveis de renovação do ar mistura Ausência de mistura bloco Entrada de um dado volume implica a saída em bloco de um volume de ar equivalente consumo energético Pouco utilizado, face ao grande consumo energético (elevados caudais) condutas Sistema de condutas complexo (custo de instalação e manutenção elevados) aberturas Necessidade de grandes aberturas de insuflação e extracção contaminantes Remoção eficiente de contaminantes perturbações Sensível a perturbações

11 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Escoamento por deslocamento VTIbaixos Introdução de ar fresco exterior junto ao pavimento, por uma abertura de grande superfície, com V e TI baixos fontes de calor Utilização de fontes de calor (ocupantes, equipamentos,...) para promover a ascensão do ar aos níveis superiores onde se faz a extracção estratificação Cria estratificação (permite menores potências instaladas) Promove baixa mistura (maiores gradientes de propriedades) Zona ocupada com condições semelhantes às do ar fornecido

12 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Necessidade / Eficiência de Ventilação Objectivo Diluição/deslocação de contaminantes Caudais recomendados Locais de estar e quartos: mínimo de 15 m 3 /h0,5 ren/h Cozinhas e salas de banho:36 m 3 /h (sem utilização) 1,0 ren/h 36 x 3 m 3 /h 3,0 ren/h Locais de fumo: superior a 18 m 3 /hp Eficiência de ventilação C e concentração de poluentes no ar de rejeição C i concentração média de poluentes da zona útil Problema Redução de taxas de ventilação por questões de economia de energia 120 m 3 /hp 15 a 20 m 3 /hp 1 ren/h 0,1 e 0,2 ren/h

13 Ventilação e Qualidade do Ar Tipos de Ventilação Ventilação Objectivo Gases Traçadores Métodos de avaliação

14 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Modelação Física Modelação 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 Numérica Modelação 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 Descritivos Métodos 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 estudo

15 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Como quantificar a ventilação? A Ventilação é quantificada como o caudal de ar exterior que entra num determinado volume por hora.

16 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 O que é a monitorização com Gases 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(SF 6 ) Freon 134a Freon 152 Óxido Nitroso (N 2 O)

17 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 O que caracteriza um bom Gás Traçador? Incolor Inodoro Inerte Não estar presente no ambiente Densidade Toxicidade Detectavel Explosividade

18 Sistema de avaliação da taxa de renovação de ar

19 Ventilação e Qualidade do Ar Tipos de Ventilação Métodos de avaliação Ventilação Objectivo Gases Traçadores

20 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Métodos de avaliação da Taxa de Renovação 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 decrescente Concentração decrescente Emissão constante Emissão constante Concentração constante Concentração constante Métodos

21 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Método da Concentração Decrescente Método mais simples; Medições durante um período de tempo curto

22 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 renovação do ar Utilizado quando se pretende determinar a taxa de renovação do ar 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: Onde: V – volume de ar do compartimento [m 3 ] C(t) – Conc. do poluente no interior do comp. [m 3 /m 3 ] t – Tempo [s] S(t) – Taxa de geração do poluente [m 3 /s] Q- Caudal volúmico do ar introduzido no comp. [m 3 /s] Ce – Concentração do poluente no exterior Método da Concentração Decrescente

23 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Exemplo 1 Calcular a taxa de renovação necessária para reduzir para 50 ppm a concentração de um contaminante cuja concentração inicial é de 1000 ppm. Exemplo 2 Pretende-se medir o caudal de insuflação de ar novo numa sala com 25 m 3 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. Método da Concentração Decrescente

24 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Método da Concentração Decrescente 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. Exemplo 3 Método do gás traçador (decaimento da concentração).

25 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Método 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

26 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Método 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

27 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Detector Fotoacústico Detecção Fotoacústica O que é a Fotoacústica? Absorção Infravermelha

28 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Introdução Detector de gases primitivo

29 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Detecção Fotoacústica Experiência de Alexander Grahan Bell em 1880

30 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Efeito Fotoacústico Sequência 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.

31 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 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

32 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Detecção Fotoacústica O que é a Fotoacústica? Detector Fotoacústico Absorção Infravermelha

33 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Radiação 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.

34 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Vibração 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 Hz.

35 A luz infravermelha é absorvida quando a vibração e a radiação têm a mesma magnitude. Absorção da luz infravermelha Lisboa, 3 de Novembro de 2004 A luz infravermelha é transmitida quando a vibração e a radiação têm frequencias diferentes.

36 Interferência das espécies Lisboa, 3 de Novembro de 2004 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.

37 Lisboa, 3 de Novembro de 2004 Detecção Fotoacústica O que é a Fotoacústica? Absorção Infravermelha Detector Fotoacústico

38 PAS- Sequência Lisboa, 3 de Novembro de 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.

39 Filtro Óptico Lisboa, 3 de Novembro de 2004

40 Fonte de IV Lisboa, 3 de Novembro de 2004

41 Célula Fotoacústica Lisboa, 3 de Novembro de 2004

42 Questões ? Lisboa, 3 de Novembro de 2004


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