Ao serem elaborados projetos de sistemas de tratamento de ar para os laboratórios de análises físico-químicas, devem ser levadas em consideração quatro preocupações fundamentais: a proteção dos usuários e dos processos e os riscos de incêndio e de vazamentos químicos.
Tanto para a proteção dos usuários quanto dos processos, quando se utilizam reagentes voláteis nos processos ou quando estes necessitam do fornecimento de grandes quantidades de calor (geralmente fornecidos por combustão), os mesmos são usualmente executados em capelas de reagência dotadas de ventilação mecânica exaustora.
Adicionalmente, os reagentes químicos utilizados nos processos geralmente são armazenados em armários à prova de explosão, que também são dotados de ventilação mecânica exaustora.
Estas duas medidas também auxiliam na redução dos riscos de incêndio, pois removem os fumos e vapores voláteis emanados pelos reagentes e suas reações, bem como os fumos oriundos dos processos de combustão.
Além disso, usualmente, tanto as capelas de reagência quanto os armários de reagentes possuem dispositivos para contenção e drenagem de vazamentos dos químicos neles contidos. Outros vazamentos, ocorridos sobre as bancadas ou o piso do laboratório usualmente são tratados por diluição, neutralização ou aplicação de materiais absorventes ou adsorventes.
Do ponto de vista do sistema de tratamento de ar, a preocupação deriva da grande quantidade de ar de renovação necessária para reposição das necessidades de exaustão e, principalmente, devido à vazão desta exaustão não ser constante, uma vez que nem sempre todas as capelas estão em operação e que estas podem operar com vazões diferentes quando suas guilhotinas estão abertas completa ou parcialmente.
Em instalações mais modernas, os sistemas de exaustão das capelas reagência são dotados de dispositivos destinados a manter uma velocidade de escoamento constante sobre a área de abertura da guilhotina da capela e, portanto, variam a vazão de exaustão em função do tamanho da abertura frontal.
Como o ar admitido pela capela vem do ambiente no qual esta foi instalada, que usualmente é climatizado, isto permite uma significativa economia de energia no sistema de tratamento de ar do ambiente, porém introduz uma variação ainda maior nas necessidades de insuflação do ambiente.
Por outro lado, uma vez que em grande parte dos casos a dissipação, o tempo de utilização e a simultaneidade de operação dos instrumentos empregados nos ensaios laboratoriais costuma produzir uma carga térmica sensível interna (HSI) relativamente pequena e muito variável, principalmente nos ambientes onde são localizadas as capelas de reagência, nos quais a necessidade de exaustão costumam ser muito grandes.
Então, sendo a vazão de insuflação requerida pelo ambiente em função da carga térmica interna determinada pela equação:
r * V/dt = HSI/dt * (cP * Dt) -1
Sendo: r = massa específica do ar na insuflação [kg/m³]
V/dt = derivada do volume no tempo (vazão volumétrica) [m³/s]
HSI/dt = derivada do calor sensível interno no tempo (carga térmica) [W]
cp = calor específico do ar seco à pressão constante [1,0048 kJ/kg. oC]
Dt = diferencial entre a temperatura de entrada e saída do processo [oC]
Pode ocorrer de a vazão de ar de insuflação requerida pela carga térmica ser relativamente pequena, chegando a ser inferior à necessidade total de exaustão imposta pelas capelas, incorrendo em um descompasso entre a condição de temperatura de saída da serpentina requerida para manutenção da umidade no ambiente e o calor removido em função do diferencial de temperatura entre a insuflação e a condição a ser mantida no ambiente, acarretando na necessidade de reaquecimento do ar de insuflação para garantir as condições termoigrométricas internas do ambiente.
Sabendo-se que a vazão total de exaustão não é constante, a vazão de insuflação também poderá variar, o que permite a instalação de dispositivos de Volume de Ar Varíavel (VAVs) na insuflação, controlados em função das condições internas e das necessidades de exaustão, o que permite uma economia de energia muito grande em relação aos sistemas com vazões fixas.
Esta economia deriva de múltiplos fatos:
Apenas como referência, um sistema localizado ao nível do mar, operando com 100% de ar externo admitido a 34 oC com umidade específica de 16,6 gVAPOR/kgAR SECO e saindo da serpentina a 12,7 oC com umidade relativa de 90%, irá demandar 4,2 TR para cada 1000 m³/h de ar insuflado no ambiente, de forma a manter uma condição interna de 22 oC com 50% de umidade relativa, admitindo-se calor latente interno nulo. Isto representa um consumo elétrico entre 5 e 6 kW.h, dependendo da eficiência do sistema implantado.
Para que o sistema de tratamento de ar possa ser dotado de dispositivos VAV, devem ser verificadas as seguintes condições:
A forma mais econômica de fazê-lo utiliza uma unidade VAV adicional na admissão do ar externo, a qual é atuada por um sensor de pressão relativa instalado no ambiente. Porém como a velocidade do moto-atuador do VAV é relativamente pequena (seu curso total geralmente leva 90s), ocorre muita alternância na pressão relativa do ambiente.
Este problema pode ser contornado instalando-se dutos de alívio para o exterior, dotados de grelhas localizadas junto ao nível do forro, em frente às capelas. Durante as operações de redução da vazão de ar externo, quando os ambientes se tornam “mais positivos” não se percebem problemas significativos, embora ocorra vazamento de ar também para os ambientes circunvizinhos, porém, durante o aumento da vazão exaustão, estes dispositivos podem introduzir grandes quantidades de ar sem quaisquer tratamentos diretamente no ambiente.
Um método mais eficiente utiliza uma unidade de pré-tratamento de ar (make up air unit) com moto-ventilador acionado por inversor de freqüência, que também pode ser controlado pelo sensor de pressão do ambiente. Neste caso, o inversor pode variar de 0 a 100% em um intervalo de 5 a 10s, o que reduz sensivelmente a duração da alternância na pressão do ambiente.
O método mais adequado ajusta a vazão de ar de reposição por meio do monitoramento das vazões de exaustão das capelas ou da condição de abertura de suas guilhotinas, paralelamente ao monitoramento da pressão relativa do ambiente. Isto permite definir previamente as posições mínimas necessárias dos moto-atuadores dos VAVs e/ou a vazão da unidade de pré-tratamento de ar para cada condição do processo.
E, se os moto-ventiladores de exaustão também possuírem inversores de freqüência, o intervalo necessário para sua aceleração pode ser ajustado para se adequar à atuação dos demais dispositivos, praticamente eliminando a alternância na pressão do ambiente.
Obviamente, há algumas limitações que devem ser observadas com relação ao uso de dispositivos VAV em laboratórios:
Além disso, nestes casos a redução do fluxo de massa de ar circulante pode causar excesso de desumidificação, dificultando o controle das condições no ambiente, além de causar ciclagem excessiva dos compressores, podendo levar à sua queima.
Nestes casos é interessante prever a instalação de dispositivos de controle de condensação ou de “by pass” de gás quente, o que acaba por minimizar os ganhos obtidos com a redução da vazão.
Usualmente, ao operar abaixo de 25% da capacidade nominal, sistemas de controle do tipo proporcional passam a operar como sistemas do tipo liga/desliga, pois ocorre uma mudança no regime de escoamento do fluido, reduzindo significativamente a capacidade de troca térmica da serpentina.
Na maioria dos casos, a oscilação nas condições termoigrométricas acarretada por este problema pode ser tolerada pelos processos executados no interior do laboratório, contudo, em determinadas áreas esta variação pode acarretar problemas para os instrumentos.
Este problema pode ser solucionado empregando-se sistemas de alimentação de fluido refrigerante com dispositivo de “blend” (recirculação de parte do fluido que saí do trocador), que operam com vazão constante do fluido e variam a temperatura do suprimento.
Em alguns casos se empregam serpentinas de resfriamento e desumidificação com dois ou mais estágios.
Por último, mas não menos importante, é necessário tratar os gases removidos pelos sistemas de exaustão antes de descarregá-los na atmosfera.
Também é recomendada a utilização de dispositivos de filtragem fina (classes F8 ou F9, conforme NBR 16401) no ar de insuflação para proteção de diversos instrumentos, principalmente no caso de instrumentos ópticos de alta resolução e de microscopia, que podem ter sua acuidade afetada pela deposição de particulado em suas lentes.
*J. Fernando B. Britto, eng. mecânico, projetista de sistema de tratamento de ar, sócio da Adriferco Engenharia, secretário do GEC-4/SBCC e membro do conselho editorial da revista da SBCC. e-mail: adriferco@gmail.com
