método dos gases traçadores espectroscopia fotoacústica disciplina de meea-departamento de eng....
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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
Ventilação e Qualidade do
Ar
Tipos de Ventilação
Métodos de avaliação
Ventilação
Gases Traçadores
Objectivo
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
• 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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Ventilação e Qualidade do
Ar
Métodos de avaliação
Ventilação
Gases Traçadores
Tipos de Ventilação
Objectivo
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Ventilação e Qualidade do
Ar
Tipos de Ventilação
Ventilação
Objectivo
Gases Traçadores
Métodos de avaliação
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
• 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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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.
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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)
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Ventilação e Qualidade do
Ar
Tipos de Ventilação
Métodos de avaliação
Ventilação
Objectivo
Gases Traçadores
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
• 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
)(
)()(
)(
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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
Método da Concentração DecrescenteMétodo da Concentração Decrescente
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Método da Concentração DecrescenteMétodo da Concentração Decrescente
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Método da Concentração DecrescenteMétodo 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.
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).
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
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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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Detector Fotoacústico
Detecção Fotoacústica
O que é a Fotoacústica?
Absorção Infravermelha
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
IntroduçãoIntrodução
Detector de gasesprimitivo
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Detecção FotoacústicaDetecção FotoacústicaExperiência de Alexander
Grahan Bell em 1880
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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.
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Detecção Fotoacústica
O que é a Fotoacústica?
Detector Fotoacústico
Absorção Infravermelha
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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.
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
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
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
A luz infravermelha é transmitida quando a vibração e a radiação têm frequencias diferentes.
Interferência das espéciesInterferência das espécies
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 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.
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Detecção Fotoacústica
O que é a Fotoacústica?
Absorção Infravermelha
Detector Fotoacústico
PAS- SequênciaPAS- Sequência
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 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.
Filtro ÓpticoFiltro Óptico
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Fonte de IVFonte de IV
Lisboa, 3 de Novembro de 2004Lisboa, 3 de Novembro de 2004
Célula FotoacústicaCélula Fotoacústica
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Questões ?Questões ?
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