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

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

Objectivo da Ventilação 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 Clima exterior inadequado Elevado tempo de permanência no interior de edifícios Diversas fontes de contaminantes ( ocupantes, materiais, equipamentos) Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

Ventilação / Qualidade do Ar 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 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 Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Ventilação / Qualidade do Ar Causas Prováveis Taxas de ventilação reduzidas (economia de energia) 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 Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

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 escoamento de mistura escoamento de êmbolo escoamento por deslocamento Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

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

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

Necessidade / Eficiência de Ventilação Problema Redução 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 Objectivo Diluição/deslocação de contaminantes Caudais 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/hp Eficiência de ventilação Ce  concentração de poluentes no ar de rejeição Ci  concentração média de poluentes da zona útil Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

Metodologia de estudo Modelação Física Modelação Numérica 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 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 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) 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. 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(SF6) Freon 134a Freon 152 Óxido Nitroso (N2O) 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 Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Sistema de avaliação da taxa de renovação de ar

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

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 Métodos Emissão constante Concentração constante Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

Método da Concentração Decrescente 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 [m3] C(t) – Conc. do poluente no interior do comp. [m3/m3] t – Tempo [s] S(t) – Taxa de geração do poluente [m3/s] Q- Caudal volúmico do ar introduzido no comp. [m3/s] Ce – Concentração do poluente no exterior Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Método da Concentração Decrescente 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 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. Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Método da Concentração Decrescente Exemplo 3 Método do gás traçador (decaimento da concentração). 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: Plotar os pontos em escala logarítmica. Fazer a regressão linear. A taxa de renovação é o simétrico do declive da recta. Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Método da Emissão Constante 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] Taxa de Renovação de Ar F n = V * C Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Método da Concentração Constante Muito usado em zonas habitadas ; Medições durante longos periodos de tempo; Concentração na zona analisada permanece constante. n = Q / V [h-1] Taxa de Renovação de Ar F() n() = V * C Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

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

Detecção Fotoacústica Experiência de Alexander Grahan Bell em 1880 Um som audível pode ser produzido expondo um gás , contido num recipiente fechado a volume constante, transparente à radiação infravermelha proveniente da luz solar modulada em intensidade. Parte da radiação incidente é absorvida pelo gás e transformada em calor, o que faz com que haja um aumento de pressão dentro do recipiente. 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. 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 Gás absorve energia -----convertido no movimento de translação aleatório das moléculas --- calor --- variação de temperatura na câmara ---- variação da pressão ----onde de pressão --- onda de som ----detectada por um microfone Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Detecção Fotoacústica O que é a Fotoacústica? Detecção Fotoacústica Absorção Infravermelha Detector Fotoacústico 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. 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 1013 Hz. Para percebermos como é que a luz infravermelha é absorvida quando incide num gás para um determinado comprimento de onda e porque é que em seguida é emitido um som, é necessário conhecermos algumas coisas sobre a natureza e a estrutura molecular do gás. Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

Interferência 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. Lisboa, 3 de Novembro de 2004

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

PAS- Sequência Lisboa, 3 de Novembro de 2004 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. Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Filtro Óptico Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Fonte de IV Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Célula Fotoacústica Lisboa, 3 de Novembro de 2004

Questões ? Lisboa, 3 de Novembro de 2004