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Projeto De Filtro De Mangas Auxiliado Por Simulação Computacional

Normalmente o projeto do sistema de ventilação parte de uma vazão estimada em normas (ACGIH, OSHA, ABIH) com base em generalizações...


Normalmente o projeto do sistema de ventilação parte de uma vazão estimada em normas (ACGIH, OSHA, ABIH) com base em generalizações de experiências práticas.
Contudo, aplicações específicas carecem de bibliografia especializada, dificultando sobremaneira o orçamento e o projeto do sistema de filtração.
Resta ao Fabricante (O&M) desenvolver protótipos, testando-os na prática, ou fazer o uso de modernos recursos computacionais de simulação para dimensionamento e avaliação da performance do Projeto.
A segunda alternativa é, de longe, a mais rápida e acessível economicamente.

Um Fabricante de Filtro de Mangas localizado no Paraná foi consultado para fazer um Projeto de despoeiramento do escape de motores de caminhões que eram utilizados para teste de performance de peças automotivas. 
Frente a ineditividade da aplicação, não haviam métodos para dimensionamento adequado do sistema de despoeiramento. 

Como poderiam funcionar simultaneamente desde um até os sete motores disponíveis, a vazão dos gases é variável. Além disso, a temperatura de escape dos gases é de 570oC, conforme o cliente. 
Desta forma, um sistema de resfriamento dos gases é necessário para possibilitar o uso de filtros de mangas. 
Conforme o Grafico1, o Poliéster é o material mais econômico dentre as mangas filtrantes disponíveis em nosso Mercado; portanto, a temperatura dos gases deve ser baixada de 570oC para menos de 150oC, que é a temperatura máxima de trabalho desta manga.


Projeto De Filtro De Mangas Auxiliado Por Simulação Computacional

Dentre as três principais formas de resfriamento (adição de ar, adição de água e trocador de calor) foi escolhida a adição de ar-falso devido as seguintes vantagens:

· Menor custo total
(investimento, operação e manutenção), não obstante, o aumento da vazão total dos gases resulte num custo de investimento alto;
· Baixa histerese, ou seja, o intervalo de tempo entre uma modificação na entrada de ar e a obtenção da temperatura desejada é muito menor que no caso de adição de água;
· Não há risco de ataque químico do poliéster. Ao passo que um excesso de água, sob temperaturas superiores a 60oC, poderia hidrolisar o poliéster, não há limitação quanto a entrada de ar para este material.
Desta forma foi realizada a simulação da vazão total de
gases constituída pela soma da vazão de combustão + vazão de ar-falso para resfriamento dos gases. 

Os gases de combustão são provenientes da queima de Diesel Metropolitano. A vantagem da queima deste combustível é o baixíssimo teor de enxofre (<0,2%Peso), o que resulta num ponto de orvalho ácido reduzido.

A partir da composição elementar do diesel e do consumo de cada motor foi gerada a Tab.1 para as duas condições extremas: sete motores operando e um motor operando.

Projeto De Filtro De Mangas Auxiliado Por Simulação Computacional

Tab.1: Resultados de simulação das condições extremas de operação.
(CNTP = Condições Normais de Temperatura e Pressão)

 

O percentual de adição de ar-falso é 84,8% peso para todos os casos. Foi considerada a densidade máxima do Diesel Metropolitano (0,865Kg/L). O consumo de 103,5L/h se refere a condição dos sete motores em operação, enquanto que, o consumo de 6L/h se refere a condição de apenas um motor operando.

Na Fig.2 é apresentada a variação da temperatura e do ponto de orvalho ácido desde a adição de zero até 62% volume de ar-falso para redução da temperatura de 570oC para 120oC.

Projeto De Filtro De Mangas Auxiliado Por Simulação Computacional

Fig.2: Variação da Temperatura, do Ponto 
de Orvalho e do Percentual Mássico 
de ar-falso (expresso como redução de 
captação) em função do percentual 
em volume de ar-falso.

Observe que, conforme a tendência da curva azul da Fig.2, se adicionado mais ar-falso que o valor especificado, a temperatura dos gases atingirá a temperatura do ponto de orvalho ácido, permitindo assim, que haja a condensação de ácido sulfúrico na corrente gasosa. 
Esta condensação, além de causar corrosão nas estruturas metálicas do sistema, causa ataque químico das mangas por sulfonação, o que se traduz por precoce e drástica redução da resistência mecânica das mesmas.

Na Fig.3 são apresentados os dados de composição química e demais parâmetros físicos dos gases. Estes parâmetros não variam com o percentual de ar-falso adicionado, pois, independentemente do número de motores ligados, o percentual de ar falso para reduzir a temperatura de 570oC para 120oC sempre será 84,8% peso.
Observe que a umidade final dos gases que chegam no filtro de mangas não excede 2,1% volume. No caso extremo, em que o ar-falso é captado num dia chuvoso (umidade máxima do ar-falso), a umidade final dos gases a serem filtrados será de 3,9% volume, ou seja, ainda perfeitamente tolerável pelo poliéster.

Desta forma, a vazão máxima será 10485m3/h. 

Projeto De Filtro De Mangas Auxiliado Por Simulação Computacional
Fig.3: Resultados da Simulação da mistura dos gases de combustão e ar-falso para 
a condição de vazão máxima dos motores (Simulador de Filtração Industrial PROTEUS).

Considerando, uma relação ar-pano de 1,1m/min (valor conservativo para este tipo de filtração) serão necessárias cerca de 110 mangas 150x3000mm para espelho diâmetro 160x5mm, por exemplo.
Uma especificação adequada ao Processo é a manga Renner PE/PE 551 CS17.

Este sistema poderá ter uma malha de controle com duplo PID suportado num CLP ou controlador com entradas 
4-20mA.
Duas entradas de temperatura, antes e depois da entrada de ar falso, e outra entrada de pressão estática antes da entrada de ar-falso. A pressão estática antes da entrada de ar-falso deve ser monitorada, porque confor-me os dados fornecidos pelos Fabricantes dos Motores, ela deve ficar na faixa de 0 à +600mmCA para que não haja interferência na performance dos motores.
Como saídas poderemos ter o controle de rotação do ventilador através de um inversor de freqüência, assim como, uma válvula borboleta para insuflamento de ar-falso antes do filtro.

Desta forma, em questão de poucos minutos foi possível determinar com boa margem de segurança a vazão do sistema, dimensionamento básico do filtro de mangas, assim como, foi possível verificar se a especificação de mangas escolhida suporta a faixa de composição química gasosa que existirá na prática.

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