O estudo dos fluxos de ar em sistemas de ventilação, especialmente nos componentes como capôs e junções de dutos, é um campo de intensa pesquisa devido à complexidade dos comportamentos de fluido e às implicações na eficiência energética e na segurança ambiental. Diversos modelos de fluxo têm sido desenvolvidos ao longo do tempo para simular o comportamento do ar nessas condições. Tais estudos não apenas visam entender os padrões de fluxo, mas também analisar como as perdas de carga ocorrem durante o transporte do ar, um aspecto essencial para otimizar o desempenho dos sistemas de ventilação e climatização.

A literatura sobre o assunto é vasta e inclui desde os primeiros estudos de Flynn e Miller, que compararam diferentes modelos de fluxo através de capôs circulares, até abordagens mais recentes sobre a otimização dos elementos dos dutos para reduzir a resistência local. Estes modelos visam proporcionar soluções mais eficientes para sistemas de exaustão e ventilação, minimizando a perda de energia devido ao atrito e outros fenômenos turbulentos que ocorrem quando o ar passa através de junções e mudanças de direção nos dutos.

Pesquisas como as de Fomin e Fomina, que solucionaram numericamente o fluxo de fluidos incompressíveis em canais planos com etapas de reversão em grandes números de Reynolds, mostram a importância de compreender as dinâmicas envolvidas na aceleração e desaceleração do ar dentro dos sistemas. Esses fluxos turbulentos, especialmente nas proximidades das junções, geram significativas perdas de energia. O estudo de Gao e seus colaboradores, que exploraram novas formas de otimização das junções de dutos, propôs, por exemplo, uma estrutura biomimética para reduzir a resistência local, inspirada em cursos de rios, que trouxe avanços notáveis na eficiência desses sistemas.

Além da teoria, o desenvolvimento prático também se destaca com a implementação de componentes como defletores e guias de fluxo, que controlam as perdas de energia nas junções. A pesquisa de Kulkarnia e outros, que investigaram tees e ramificações de fluxo em dutos de ventilação e ar condicionado, exemplifica como modificações em geometrias simples, como o formato oval ou a inclusão de defletores, podem reduzir significativamente os coeficientes de perda de carga.

Esses estudos demonstram que, ao estudar o comportamento do fluxo em sistemas de ventilação, não é apenas a forma dos dutos que importa, mas também como as características do fluxo são alteradas por esses componentes, afetando o desempenho geral do sistema. A eficiência dos sistemas de ventilação depende, assim, de um equilíbrio entre o design dos componentes e a dinâmica do ar em movimento.

Além disso, a importância de modelos numéricos avançados para a simulação de fluxos de ar em componentes de sistemas de ventilação não pode ser subestimada. Técnicas como a equação integral de fronteira (Boundary Integral Equation Method - BIEM) têm sido essenciais para a solução de campos de fluxo nos capôs de exaustão local, permitindo uma análise mais precisa das zonas de recirculação e das áreas de maior resistência ao fluxo.

Essas ferramentas também são úteis na investigação do comportamento de fluido em condições de alta turbulência, como nos estudos de Hirota e seus colegas sobre o processo de mistura turbulenta em junções de tipo T, que demonstraram que pequenas variações no design das junções podem ter um impacto significativo na eficiência energética do sistema de ventilação.

No entanto, é fundamental entender que, além dos aspectos puramente técnicos, a escolha e o design adequado dos componentes do sistema de ventilação também devem considerar a sustentabilidade e os impactos ambientais. As soluções para a redução de perdas de carga e a otimização dos fluxos não devem comprometer a funcionalidade do sistema, e é importante que essas melhorias resultem em um sistema que seja eficiente em termos de consumo energético e que atenda às exigências ambientais.

Em conclusão, os avanços na modelagem dos fluxos de ar e a compreensão das perdas de carga em sistemas de ventilação não se limitam apenas ao aprimoramento da eficiência dos dutos. Eles também desempenham um papel crucial na criação de soluções sustentáveis e energeticamente eficientes para sistemas de ventilação e ar condicionado.

Como Reduzir a Resistência ao Arrasto em Aberturas Laterais de Dutos de Exaustão

O estudo de formas de otimização de aberturas de exaustão se tornou essencial para a melhoria da eficiência em sistemas de ventilação e exaustão, especialmente quando se busca a redução da resistência ao arrasto em dutos de ar. A modelagem de formas específicas para as aberturas pode resultar em uma significativa diminuição do arrasto, o que se traduz em uma maior eficiência energética e menor consumo de energia nos sistemas de ventilação.

O experimento realizado utilizando a configuração "shape 0.258" demonstrou um crescimento contínuo da zona de velocidade de corte (SVZ), enquanto outras opções de modelagem mantiveram fluxos quase sem separação ao redor delas. Como mostrado na Figura 3.13, a validação experimental do arrasto para a abertura do exaustor no meio, com o uso de um inserto de modelagem baseado no contorno mais otimizado ("shape 0.504"), revela uma significativa melhoria no comportamento aerodinâmico da abertura.

As medições realizadas mostraram que os dados numéricos e experimentais estavam bastante alinhados, com uma discrepância abaixo de 32% em toda a faixa de variação de G/G. No entanto, para valores de G/G superiores a 0,7, os erros de medição podem ter influenciado os resultados, o que demonstra a necessidade de uma calibragem constante e precisa dos dispositivos experimentais. Além disso, é interessante notar que os valores de ζ (coeficiente de arrasto) para a configuração "shape 0.504" ficaram visivelmente abaixo dos valores estimados numéricos, indicando uma redução do arrasto mais expressiva do que o previsto.

As funções aproximadas para determinar a LDC (coeficiente de arrasto linear) de uma abertura de exaustão com modelagem, com largura h/b = 0.32, foram obtidas com base nas equações (3.12) e (3.13), mostrando uma relação precisa entre o G/G e a redução do arrasto. Em particular, a equação para o coeficiente de arrasto da forma modelada foi expressa como:

ζ=−7.7828⋅(GG)2+2.9432⋅(GG)−0.0041ζ = −7.7828 ⋅ \left(\frac{G}{G}\right)^2 + 2.9432 ⋅ \left(\frac{G}{G}\right) − 0.0041

Esta equação revela como o comportamento do fluxo de ar pode ser otimizado por meio de uma mudança na geometria da abertura, reduzindo o arrasto e, consequentemente, o consumo de energia do sistema.

Comparando os coeficientes de arrasto ζ para a configuração original e para a modelada, nota-se uma melhoria considerável na performance do sistema. O uso da modelagem "shape 0.504" demonstrou uma redução do arrasto da faixa de 30% a 420%, dependendo do valor de G/G, conforme mostrado na Figura 3.18. Essa redução é um indicativo claro de que a modificação geométrica da abertura de exaustão pode, de fato, ter um impacto significativo na eficiência do sistema como um todo.

A análise do fluxo ao redor das diferentes opções de modelagem, incluindo "shape 0.258", "shape 0.504" e "shape 0.784", mostra que a primeira opção é a mais eficiente em termos de redução do arrasto. As linhas de fluxo, apresentadas nas figuras 3.15 e 3.16, indicam que a mudança de forma não só melhora a direção do fluxo, mas também aumenta a estabilidade e uniformidade do mesmo. Isso contribui diretamente para uma redução do arrasto e para um aumento na eficiência energética dos sistemas de exaustão.

Além disso, é importante compreender que a redução do arrasto em aberturas de exaustão não é apenas uma questão de eficiência do fluxo de ar, mas também está intimamente ligada à minimização de custos operacionais. Com uma redução significativa na resistência ao arrasto, o sistema de ventilação pode operar de forma mais eficiente, consumindo menos energia e aumentando a vida útil dos componentes, como os ventiladores e os dutos. Este efeito colateral de longo prazo demonstra a importância da otimização geométrica na engenharia de sistemas de ventilação.

Para os engenheiros e projetistas, é essencial levar em consideração que a escolha da forma ideal deve ser baseada em uma análise detalhada dos parâmetros de operação do sistema. A geometria da abertura de exaustão deve ser projetada não apenas para minimizar o arrasto, mas também para garantir a funcionalidade do sistema como um todo, levando em conta fatores como a manutenção e a durabilidade dos materiais utilizados.

Em suma, a modelagem geométrica das aberturas de exaustão, especificamente com o uso de formas como "shape 0.504", oferece um caminho claro para a otimização de sistemas de ventilação. A redução do arrasto proporcionada por essas modificações geométricas resulta em ganhos significativos de eficiência energética e operativa, demonstrando como a tecnologia de modelagem pode ser aplicada para criar soluções práticas e eficientes no campo da ventilação e exaustão.

Como o Modelamento de Fluxos Vortex Reduz a Resistência ao Arrasto em Capôs de Exaustão

O uso de modelagem geométrica em capôs de exaustão é uma estratégia eficaz para reduzir a resistência ao arrasto (LDC, do inglês drag coefficient), particularmente em sistemas que envolvem o fluxo de ar turbulento e a formação de zonas vórtices (VZ). O comportamento do fluxo de ar ao redor de capôs, como os de exaustão, é fundamental para otimizar o desempenho e aumentar a eficiência dos dispositivos de ventilação, além de evitar o retorno de contaminantes prejudiciais. A manipulação das zonas vórtices formadas em torno desses capôs permite uma redução significativa na resistência ao arrasto, como demonstrado por simulações numéricas utilizando modelos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD).

Ao aplicar o processo de modelagem no contorno das VZs primárias, identificou-se que, quando a geometria do capô é modificada sem alterar a área inicial, o contorno da segunda VZ, determinado por simulações DVM, não pode ser utilizado diretamente. Nesse caso, o contorno é obtido por simulação CFD, levando em consideração a VZ primária. A formação de VZs secundárias ao longo das áreas de moldagem é uma consequência natural do processo, e seu estudo revela como pequenas modificações geométricas podem gerar múltiplas zonas vórtices, resultando em um efeito cascata.

A importância da modelagem ao longo das VZs secundárias pode ser observada em experimentos numéricos realizados com capôs de exaustão. Por exemplo, para um capô com comprimento de flange 3R e um ângulo de abertura α = 15°, foi observada uma redução de 19,8% no LDC ao modificar a geometria ao longo da VZ primária. A aplicação da modelagem ao longo da primeira VZ secundária trouxe uma redução adicional de 23,1%, resultando em uma redução total do LDC de 42,9%. No entanto, quando a modelagem foi estendida à segunda VZ secundária, o efeito foi oposto, com um aumento no LDC de 18,7%. Este aumento é atribuído à pequena magnitude do LDC neste ponto, que se aproxima do erro numérico, sugerindo que a eficiência da moldagem é limitada por fatores que ainda precisam ser compreendidos de forma mais aprofundada.

Além disso, foi identificado que o comportamento da VZ depende de variáveis como o comprimento da flange e o ângulo de inclinação. Em experimentos com capôs de exaustão com flange de comprimento 1R e ângulo α = 90°, foi observada a formação de duas VZs, e ao moldar a geometria ao longo de ambos os contornos, a resistência ao arrasto foi reduzida em 43,7%. Contudo, como a interação entre essas zonas vórtices gerou novas VZs secundárias, a eficiência do processo aumentou para uma redução de 61,5% no LDC. Isso demonstra a complexidade das interações entre as diferentes zonas vórtices e a forma como sua manipulação pode otimizar o desempenho dos capôs de exaustão.

Estudos adicionais sugerem que a moldagem ao longo de zonas vórtices secundárias tem um efeito muito dependente do ângulo de inclinação da flange, mais do que do comprimento da flange. Para ângulos de inclinação maiores, especialmente superiores a 30°, a formação das VZs secundárias é mais pronunciada, e a eficiência do processo de moldagem aumenta significativamente. Isso é indicado pelos valores de redução percentual do LDC que variam de 41,7% para um ângulo de 90° até uma redução muito baixa em ângulos menores, como 30°, onde o efeito se torna quase irrelevante.

A relação entre o ângulo de inclinação da flange e a eficiência da moldagem pode ser modelada pela equação:

Δζ=0.4346⋅ln⁡(α)−1.4974\Delta ζ = 0.4346 \cdot \ln(α) - 1.4974

Essa equação revela que, à medida que o ângulo de inclinação aumenta, o efeito da moldagem se torna mais pronunciado, o que pode ser explorado no design de capôs de exaustão mais eficientes.

É crucial destacar que, embora a redução da resistência ao arrasto seja um dos principais objetivos ao modelar as zonas vórtices, a prevenção do retrocesso de contaminantes (backdraft) permanece uma consideração importante no design desses sistemas. Mesmo quando as VZs secundárias podem parecer ineficazes ou até prejudiciais para a redução do LDC em alguns casos, sua presença pode ser essencial para a segurança e eficiência de sistemas de ventilação, principalmente em ambientes controlados ou industriais.

A complexidade do comportamento de fluxos separados ao redor de capôs redondos de exaustão, com flanges de diferentes comprimentos e ângulos de inclinação, mostra que o design desses dispositivos deve ser feito de forma personalizada, com base nas simulações numéricas detalhadas que considerem as interações dinâmicas das VZs. Assim, a relação entre o comportamento aerodinâmico e a geometria do capô deve ser explorada ainda mais para otimizar o desempenho e reduzir ao máximo a resistência ao arrasto sem comprometer a eficiência do sistema de ventilação.

Como Analisar Fluxos de Ar em Sistemas de Exaustão: Métodos Experimentais e Computacionais

A câmara de pressão estática 7 é fixada entre painéis de madeira 5 e 6, apoiada por suportes de madeira (Figura 5.3a) que descansam sobre o piso. A câmara é construída com chapas de ferro galvanizado a zinco e é composta por duas partes, cada uma com 0,5 m de largura e 0,55 m de comprimento. As duas partes são unidas por parafusos, sendo separadas por um denso tecido filtrante 8 (Figura 5.3b). A tela 6 possui um furo quadrado no qual é inserido um duto quadrado de ferro galvanizado com espessura de 0,55 mm e lados de 0,1 m (Figura 5.3c). A parte inferior do duto, com 0,6 m de comprimento, entra na câmara de pressão estática a uma profundidade de 0,1 m e se projeta 0,5 m além da tela 6. A parte superior do duto, com 0,2 m de comprimento, tem uma projeção de 0,1 m além da tela e se estende na câmara à mesma distância que as paredes laterais do duto. As projeções foram fixadas entre duas chapas de vidro acrílico 12, medindo 0,5 m por 0,5 m e com espessura de 8 mm. Flanges metálicas removíveis 15 de diferentes comprimentos e com espessura idêntica de 0,55 mm foram anexadas à projeção 10 (Figura 5.3a). Para visualizar o padrão de fluxo, foi utilizado um umidificador Polaris 14 para gerar vapor frio (spray de água), fornecido à flange em teste através do tubo 13. Assim, o fluxo de ar exaurido através do duto 10, entre os painéis de vidro acrílico, simulou o fluxo em direção a uma abertura de exaustão ranhurada. Considerando que os fluxos são idênticos em qualquer plano que intersecte a abertura de exaustão a um ângulo reto com as paredes inferior e superior, a descrição analítica desses fluxos tratou o problema como plano.

A medição do campo de velocidade foi realizada com um anemômetro de fio quente Testo-425, com margem de erro de ± (0,03 + 0,05 x leitura da velocidade), m/s. As leituras de velocidade foram médias ao longo de um intervalo de 30 a 60 segundos (60-120 leituras pontuais). A velocidade média do ar no tubo 3 (Figura 5.3a) foi inicialmente determinada de duas maneiras. Utilizando um manifold de entrada e um micromanômetro com fator k = 0,25 a uma temperatura ambiente de 18,8°C e densidade do ar de 1,21 kg/m³, a pressão dinâmica média P = 14,71 dPa foi medida com um ventilador VKMz 150 em operação. A velocidade média, neste caso, foi calculada como ν = 2P /ρ ≈ 4,93 m/s. A velocidade média do fluxo de ar no tubo 3, medida com o anemômetro de fio quente Testo-425, foi 4,84 m/s. Quando o ventilador EX-18 4c estava em operação, a velocidade média no tubo, lida pelo micromanômetro, era 4,77 m/s, enquanto o anemômetro de fio quente indicava 4,78 m/s. Observa-se que a diferença nos resultados estava dentro da margem de erro dos instrumentos. As leituras subsequentes de velocidade foram feitas utilizando o anemômetro de fio quente Testo-425 montado nos suportes 16 e 17 (Figura 5.3a, d e e). Ao medir o componente horizontal, usaram-se os furos 18 para inserir a sonda do termoanemômetro (Figura 5.3c), visíveis também na Figura 5.3d. A distância entre os furos era de 2,5 cm. Todos os furos, além daquele em que a sonda do anemômetro de fio quente foi inserida, foram selados com fita adesiva. O suporte 16 (Figura 5.3a e d) segurava uma escala de medição para movimentar a sonda a uma distância vertical específica. Todos os outros movimentos foram feitos utilizando uma escala aplicada ao tubo telescópico do anemômetro de fio quente, na extremidade do qual a sonda de medição estava montada.

A instalação experimental também permitiu a visualização da zona de separação de fluxo (VZ) no duto (Figura 5.4). A análise da distribuição de velocidade perto de uma capô de exaustão com ranhura (Figura 5.5) revela uma boa concordância entre os cálculos dos métodos DVM e CFD com os dados experimentais. O processamento estatístico dos dados comparativos (Tabela 5.1) mostra que os valores computados estão estreitamente correlacionados com o experimento, utilizando a escala de Chaddock: em 87% dos casos para os cálculos DVM e em 91% para os cálculos CFD, o fator de correlação linear de Pearson foi superior a 0,9. Os valores médios das velocidades computadas e experimentais coincidem, como demonstrado pelo critério t de Student. A dispersão relativa em relação à média também é semelhante para os dados experimentais e os calculados – o critério de Fisher está abaixo dos valores críticos. Em média, o coeficiente de correlação linear é mais alto e o critério de Fisher é mais baixo para os cálculos CFD, mas no caso do DVM, o critério de Student é inferior. Assim, tanto os métodos DVM quanto CFD são confiáveis e adequados para o cálculo do campo de velocidades perto de capôs de exaustão com ranhura. Contudo, a partir da comparação dos perfis de velocidade, observa-se que o método CFD é mais adequado para o cálculo dos fluxos perto e dentro da VZ. Nos cálculos utilizando DVM, nas seções transversais que interceptam a VZ, a velocidade tende a zero.

É importante compreender que a medição de fluxo e a modelagem de sistemas de ventilação não se limitam apenas à captura de valores de velocidade ou pressões. A precisão dos métodos computacionais e experimentais depende, além da qualidade dos equipamentos e do ajuste do modelo, do correto entendimento da interação entre as várias variáveis envolvidas, como a geometria do duto, o comportamento do ar nas regiões de separação de fluxo, e as diferenças nas condições de operação do sistema. Estes aspectos devem ser avaliados com rigor, especialmente quando se trata de um ambiente de engenharia em que o controle de fluxos de ar é crucial para o desempenho do sistema de exaustão.

Como as Partículas de Poeira de Salões de Unhas Afetam a Saúde Respiratória e Cardíaca?

A presença de partículas finas no ar, como as partículas de PM10 e PM2.5, é um tema amplamente discutido quando se trata de qualidade do ar, especialmente em ambientes fechados, como salões de unhas. Estudos têm mostrado que essas partículas são capazes de atingir a seção torácica do sistema respiratório humano, desencadeando diversos problemas de saúde. A Organização Mundial da Saúde (OMS) já alertou para o fato de que a exposição a essas partículas pode agravar doenças respiratórias como asma, aumentar os sintomas respiratórios e até mesmo levar a uma maior taxa de hospitalizações. Além disso, o aumento da concentração de PM10 e PM2.5 está diretamente relacionado ao aumento de mortes causadas por doenças cardiovasculares, respiratórias e câncer, conforme documentado nas Diretrizes para Qualidade do Ar Interno da OMS de 2010.

Por esse motivo, diversas pesquisas têm sido conduzidas em vários países para estudar a concentração de partículas finas no ar exterior, com foco nas fontes urbanas. A regulação sobre os níveis dessas partículas no ar ambiente tem se intensificado em países como Rússia, países da União Europeia e os Estados Unidos, com normas que buscam limitar a concentração de PM10 a 50 μg/m³ por dia e de PM2.5 a 25 μg/m³ anualmente, com o objetivo de reduzir a concentração de PM2.5 a 20 μg/m³ a partir de 2020. Na Rússia, o Código de Higiene GN 2.1.6.3492-17 estabelece os valores de 60 μg/m³ para partículas de PM10 e 35 μg/m³ para PM2.5.

No que diz respeito ao ar interno, a OMS recomenda que a avaliação da concentração de partículas de PM10 e PM2.5 seja realizada com base nas regulamentações estabelecidas para o ar externo. Isso implica a necessidade de purificar eficientemente o ar que entra nos espaços fechados, ao mesmo tempo em que se deve capturar as partículas de poeira geradas internamente. Para atingir esse objetivo, sistemas eficientes de ventilação de exaustão local são necessários. No mercado atual, existem diferentes tipos de sistemas de ventilação para salões de unhas, como aspiradores de mesa, aspiradores embutidos nas mesas, capôs de exaustão montados acima da mesa e sistemas combinados de remoção de poeira. No entanto, todos esses sistemas têm limitações.

Os aspiradores, por exemplo, sofrem de baixa eficiência devido ao fraco desempenho dos ventiladores. Em vez de remover a poeira do ambiente, parte dela acaba se depositando nas mãos dos profissionais ou dos clientes, ou se espalha pela mesa, poluindo ainda mais o ar. Outro problema é que, quando a poeira é recolhida no saco de poeira, as partículas finas tendem a escapar. Já os capôs de exaustão, apesar de contarem com ventiladores de alto desempenho que permitem capturar mais eficientemente as partículas, enfrentam o desafio de capturar partículas geradas durante o processo de lixamento das unhas, quando uma corrente horizontal de ar carregada de poeira se forma, dificultando a captura pelas unidades verticais.

Sistemas combinados de remoção de poeira, como aqueles que incluem ventiladores embutidos nas mesas e exaustores montados acima, são mais eficazes, já que podem capturar partículas de maior tamanho na mesa e partículas mais finas acima da mesa. Porém, a eficiência do sistema depende da capacidade do ventilador e da distribuição do fluxo de ar, o que pode ser comprometido se os valores de vazão de ar não forem adequados. A presença de capôs de exaustão com sistemas integrados pode aumentar a eficiência, já que eles conseguem conter totalmente a liberação de poeira no ponto de origem e removê-la de maneira mais eficaz. No entanto, essas unidades também possuem o problema de partículas finas ficarem presas nas superfícies internas do capô, reduzindo a visibilidade para os profissionais.

Embora a ventilação de exaustão seja eficaz para remover vapores no ambiente de trabalho, ela é inadequada para remover aerossóis de poeira, especialmente quando a entrada de ar não está localizada de maneira ideal. Um desafio comum a todos esses sistemas é o ruído gerado pelas zonas de vórtice, seja na entrada do duto ou devido à operação do motor do ventilador.

O estudo da dinâmica das partículas de poeira em torno da abertura de exaustão é fundamental para determinar a velocidade do fluxo de ar necessária para capturar essas partículas de forma eficiente. A pesquisa sobre o comportamento das partículas de poeira ao serem aspiradas por um dispositivo de exaustão circular foi realizada em um ambiente estacionário, levando em conta diversos fatores como o diâmetro da abertura de exaustão, a velocidade de sucção e as propriedades físicas das partículas. Estudos demonstraram que a eficiência de captura depende da interação entre essas variáveis, incluindo a velocidade terminal das partículas e a velocidade do fluxo de ar incidente.

Além disso, a redução da resistência ao arrasto local e do ruído nas entradas do capô pode ser alcançada por meio do redesenho da abertura, o que também diminuirá o risco de partículas que foram capturadas escaparem de volta ao ambiente. A utilização de métodos como o método dos vórtices pode melhorar a compreensão do comportamento das partículas e otimizar a eficiência do sistema de exaustão.

É crucial que as salões de unhas adotem sistemas de ventilação de exaustão que não apenas capturam partículas de poeira, mas também considerem as variáveis envolvidas na dinâmica das partículas no ar. Além disso, a conscientização dos profissionais sobre a importância de manter a ventilação adequada e a manutenção regular desses sistemas é fundamental para garantir um ambiente de trabalho seguro e saudável.

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