CFD : Dispersão de Gases, Ventilação e Espaços Confinados

O que é CFD e Como Funciona?

CFD ( Computational Fluid Dynamics, ou Dinâmica dos Fluidos Computacional) é a análise de sistemas fluidos por meio de simulações computacionais. Essa técnica permite estudar fenômenos como fluxos de ar, transferência de calor e até mesmo reações químicas. Aplicável em praticamente todos os setores industriais, o CFD é amplamente utilizado em áreas como:

• Ventilação industrial;

• Dispersão de poluentes;

• Turbo máquinas;

• Análise de carga térmica;

• Simulação de combustão interna.

Com suas vastas aplicações, o CFD se tornou essencial para garantir a eficiência e segurança em diversos projetos.

Breve Histórico do CFD

O CFD surgiu na década de 1960 como uma solução para a indústria aeroespacial, ajudando a prever o comportamento de sistemas fluido-dinâmicos em aeronaves e motores a jato. Mais tarde, suas aplicações foram expandidas para turbinas a gás, fornos e a indústria automotiva, que passou a utilizar simulações para reduzir a resistência ao arrasto e otimizar fluxos de ar ao redor de veículos.

Na década de 1990, com a evolução das interfaces de software, o CFD alcançou novos mercados, incluindo HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado) e a dispersão de poluentes atmosféricos.

Benefícios do Uso do CFD

A utilização do CFD traz inúmeras vantagens para projetos industriais, como:

1. Redução de tempo e custos: Minimiza a necessidade de protótipos físicos, acelerando o processo de desenvolvimento.

2. Análise de processos complexos: Permite estudar sistemas grandes ou caros para experimentação, como exaustão industrial ou fluxos em espaços confinados.

3. Segurança em condições perigosas: Simulação de cenários de acidentes, como dispersão de gases tóxicos.

4. Alto nível de detalhamento: Proporciona resultados detalhados, como perfis de pressão, temperaturas, velocidades e concentrações.

Etapas do Processo CFD

Para garantir resultados precisos, um estudo de CFD segue etapas bem definidas:

1. Modelagem 3D:

   • Definição do volume fluido (domínio computacional) a ser estudado.

   • Realizado em softwares CAD, como SolidWorks e SpaceClaim.

2. Geração da Malha:

   • Discretização do domínio computacional em subdomínios menores.

   • Fundamental para capturar detalhes da simulação.

3. Setup:

   • Configuração dos fenômenos físicos (fluxo, calor, reações).

   • Definição das propriedades do fluido e condições de contorno.

4. Solver:

   • Resolve as equações matemáticas usando o método dos volumes finitos.

   • Processo iterativo, pode durar de minutos a semanas, dependendo da complexidade.

5. Pós-Processamento:

   • Visualização dos resultados (gráficos de pressão, temperaturas, pathlines e vetores).

   • Crucial para interpretação e apresentação dos dados.

Aplicações Práticas do CFD

O CFD tem mostrado grande eficiência em diversas áreas, incluindo:

• Dispersão de gases: Estudo do movimento de contaminantes atmosféricos em espaços confinados.

• Ventilação Industrial: Projetos de exaustão e diluição (VGD e VLE).

• Filtragem de ar: Desenvolvimento de sistemas mais eficientes.

• HVAC: Otimização de sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado.

Limitações e Avanços do CFD

Embora o CFD tenha avançado significativamente, desafios como custos computacionais elevados e limitações dos modelos matemáticos ainda existem. Novas técnicas de discretização e geração de malhas continuam sendo desenvolvidas para aprimorar sua precisão e acessibilidade.

CFD em Ventilação Industrial

No contexto de ventilação industrial, o CFD oferece:

• Visualização antecipada de resultados: Ajuda a prever o desempenho de projetos antes de sua implementação.

• Maior eficiência: Permite o desenvolvimento de sistemas mais eficazes na captura e diluição de contaminantes.

• Qualidade do Ar Interior (QAI): Reduz o acúmulo de gases tóxicos em ambientes de atmosfera confinada.

Por que Escolher a ATMOSCLEAN?

A ATMOSCLEAN é pioneira no Brasil em projetos de CFD aplicados à ventilação industrial e simulações de espaços confinados. Nossa equipe especializada atua em todo o território nacional, oferecendo soluções personalizadas para:

• Estudos de dispersão de gases;

• Projetos de VGD e VLE;

• Análise crítica de grandes projetos industriais.

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Implementação de Ventilação Geral Diluidora em Espaços Confinados

Após inúmeros acidentes em Espaços Confinados (EC), no decorrer das últimas décadas foram desenvolvidas técnicas e equipamentos que visam a proteção dos trabalhadores nestes ambientes. Objeto de estudos de técnicos, engenheiros e até cientistas, os espaços confinados possuem algumas características que os tornam peculiares, sendo uma das principais, os riscos atmosféricos. A fim de minimizar tais riscos surgiram várias disciplinas, dentre elas, como ramificação das engenharias, a ventilação de espaços confinados.

A ventilação de espaços confinados pode ser implementada de diversas formas e com as mais variadas funções no que diz respeito à manutenção da segurança laboral. Assim, podemos dividir em duas linhas de estudos, a Ventilação Geral Diluidora (VGD) e a Ventilação Local Exaustora (VLE). Podemos ainda subdividir a VGD em três, que basicamente diz respeito ao método de implementação e que é o objeto de nossa análise.

VGD por Insuflação Mecânica e Exaustão Natural. 

Este método de ventilação além de promover todos os benefícios naturais de um sistema de ventilação, tem por característica promoção da pressão positiva no ambiente. A pressurização positiva produz fluxo de ar na direção perpendicular às aberturas do ambiente no sentido interno-externo. Portanto, a pressurização positiva pode ser aplicada para evitar que contaminantes existentes na atmosfera das vizinhanças adentrem ao espaço confinado.

Além da pressurização positiva, a insuflação mecânica pode ser aplicada com outros objetivos, tais como o direcionamento do ar limpo para determinadas regiões dentro do espaço confinado, promover a diluição de contaminantes mais rapidamente utilizando-se da turbulência provocada pelo jato de ar, remoção de cargas térmicas de superfícies aquecidas através da convecção forçada e até mesmo proporcionar ar climatizado para conforto térmico.

Alguns cuidados devem ser tomados ao adotar a insuflação mecânica com exaustão natural de forma a evitar a geração e/ou o agravamento de riscos atmosféricos. Em especial, mas não se restringindo, devemos prestar atenção em locais com concentrações elevadas de pós em suspensão, pois a turbulência do ar provoca maiores riscos de explosões em decorrência de pós; locais que possuam líquidos inflamáveis ou tóxicos com baixa pressão de vapor, uma vez que o movimento do ar aumenta a taxa de vaporização; a contaminação das regiões no entorno do EC devido ao deslocamento do ar pelas aberturas e a dispersão da carga térmica dos ventiladores no interior do EC.

A VGD por Insuflação Natural e Exaustão Mecânica:

Tem por característica a formação de pressão negativa que também produz deslocamentos de ar na direção perpendicular às aberturas do ambiente, porém no sentido contrário à pressurização positiva. Ou seja, quando um ambiente é pressurizado negativamente, o deslocamento do ar ocorre no sentido externo-interno através das aberturas do recinto. A pressurização de ambientes por pressão negativa tem como principal função evitar que contaminantes gerados no interior do ambiente se desloquem para o meio externo. Esta é a metodologia aplicada quando, no interior dos ECs, há gerações de poluentes atmosféricos que não podem ser controladas por VLE e que não podem contaminar o entorno.

A VGD por Exaustão Mecânica também é bem empregada objetivando-se a coleta de contaminantes dispersos no ar do EC; a entrada de ar limpo pelas aberturas do EC; a descarga do ar contaminado em local adequado, evitando-se a dispersão dos contaminantes nos ambientes do entorno e menores efeitos de resfriamentos indesejáveis em processos a quente.

Por outro lado a VGD por exaustão mecânica e insuflação natural também deve ser aplicada com cautela em alguns casos pois ela teria pouco efeito sobre fontes poluentes distribuídas ou de grandes superfícies; menor efetividade, quando comparada à insuflação mecânica, na diluição de contaminantes já dispersos e a descarga do ar pode gerar níveis não aceitáveis de contaminações em regiões críticas.

VGD Por Insuflação e Exaustão Mecânicas ou Ventilação Mista 

Pode ser usada aproveitando-se das vantagens da insuflação e da exaustão mecânicas, alcançando-se resultados de ventilação ainda melhores.

Quando se deseja controlar a qualidade do ar por meio de pressurizações entre ambientes deve-se primeiramente saber que tipo de contaminantes deseja-se manter sob controle, pois suas características físico-químicas indicarão o nível de pressurização adequado. Obviamente os níveis de pressão em ECs não possuem exigências de controle atmosférico como as requisitadas em salas limpas, na maior parte das vezes, quando utilizada a ventilação por insuflação mecânica e exaustão natural ou insuflação natural com exaustão mecânica, o simples dimensionamento das renovações de ar adequadas ao EC já proporciona níveis de pressurização aceitáveis para os objetivos em questão, por isso, não é usual calcular as vazões dos sistemas em função do nível de pressurização desejada como é o procedimento de cálculo de salas limpas. Porém quando a VGD for realizada de forma mista deve-se atentar para o movimento de ar através das aberturas do espaço confinado, aonde deve-se adotar velocidades de ar que evitem a passagem dos contaminantes atmosféricos através das mesmas sempre observando a direção do movimento do ar provocado pela ventilação.

Assim, a escolha entre os métodos de VGD deve ser determinada de acordo com os objetivos da ventilação, as características do ambiente e o grau de pureza necessário do ar, tanto no interior do Espaço Confinado quanto em suas redondezas. Neste aspecto, para o projeto e implementação da VGD, se faz necessário um estudo amplo e interdisciplinar de layout, máquinas, processos, interferências, materiais e riscos que se fazem presentes no Espaço Confinado e seu entorno.