Estudo de sistemas de vedação aerodinâmica do tipo cortina de ar

Abstract

Nos domínios comercial e industrial são frequentes as situações em que há necessidade de reduzir ou controlar as trocas de calor e de massa entre um espaço interior com atmosfera controlada – onde os parâmetros ambientais tais como temperatura, humidade, concentração de poluentes, etc. sejam mantidos em níveis compatíveis com a actividade aí exercida – e o ambiente exterior, exigindo-se, simultaneamente, facilidade de circulação de pessoas e/ou equipamentos. Em termos práticos, o confinamento de ambientes específicos é normalmente conseguido com a utilização de barreiras aerodinâmicas – habitualmente designadas por cortinas de ar – constituídas por um ou vários jactos de ar. A cada vez maior apetência da sociedade contemporânea por ambientes que possam proporcionar condições confortáveis (térmicas ou outras) aos seus utentes, conjugadas com as também prementes necessidades de optimização dos consumos energéticos, têm vindo a criar um vasto conjunto de situações em que se justifica a instalação deste tipo de aparelhos. Neste trabalho apresenta-se o estudo experimental da influência de diversos parâmetros geométricos e dinâmicos sobre o desempenho de um aparelho de cortina de ar instalado por cima duma porta de comunicação entre duas salas contíguas, de igual dimensão, mantidas a temperaturas diferentes. Com esta configuração pretende-se simular a situação típica de vedação de um espaço comercial ou habitacional climatizado, no qual se pretendem manter condições de conforto térmico, relativamente a um outro ambiente (interior ou exterior) que poderá estar mais quente ou mais frio. Os ensaios foram realizados numa instalação experimental, à escala real, projectada e construída para o efeito e de entre os parâmetros geométricos e dinâmicos estudados encontram-se a altura da porta a vedar, a distância (em relação ao chão) a que se encontra instalado o aparelho de cortina de ar, a diferença de temperatura imposta às salas bem como a velocidade e o ângulo inicial do jacto. Em todos os ensaios realizados foi determinada a eficiência de vedação proporcionada pelo aparelho de cortina de ar através de uma técnica de gases traçadores. Para algumas das configurações estudadas foram também efectuados mapeamentos do escoamento em termos de velocidade e de temperatura do ar, quer na vizinhança da porta a vedar, quer noutras zonas consideradas de interesse, utilizando-se para esse efeito um conjunto de dezasseis termo-anemómetros de baixa velocidade. Alguns desses termoanemómetros serviram igualmente para detectar a localização do ponto de impacto do jacto de ar no solo. Num conjunto mais restrito das configurações estudadas foi utilizada uma câmara termográfica de infravermelhos para efectuar visualizações do comportamento do jacto gerado pela cortina bem como do movimento das massas de ar entre as duas salas. Através dos resultados obtidos pode concluir-se que o conjunto dos métodos experimentais desenvolvidos no presente estudo permitem avaliar, de forma clara, o desempenho real de vedação aerodinâmica das cortinas de ar. Através da sua aplicação foi possível obter um conhecimento aprofundado dos campos do escoamento e da temperatura, o que se veio a revelar útil para uma boa compreensão dos fenómenos convectivos em jogo. O subsequente estudo paramétrico detalhado veio demonstrar que, para um mesmo aparelho de cortina de ar, a eficiência de vedação pode ser maximizada se for encontrada a relação óptima entre a velocidade do ar à saída da cortina e a diferença entre as temperaturas dos compartimentos a vedar. Para a selecção e a instalação destes equipamentos é também importante o conhecimento detalhado da influência dos parâmetros geométricos, nomeadamente a altura de montagem da cortina e a inclinação inicial do jacto. Outro aspecto que foi objecto de análise no presente trabalho (e que até à data não tinha sido estudado) tem a ver com as perturbações produzidas pela passagem de pessoas e/ou objectos pela porta que se pretendia vedar. A utilização de um manequim de montra acoplado a um sistema de movimentação contínuo permitiu quantificar a perda de eficiência deste tipo de sistemas quando a zona de acção dos jactos é atravessada com alguma frequência por pessoas.

In commercial and industrial activities, there is often a need for reducing or controlling the heat and mass transfer between the outside environment and an indoor compartment with controlled atmosphere – where environmental parameters such as air temperature, relative humidity, pollutants concentrations, etc. should be kept within limits compatible with human presence – warranting, simultaneously, an easy circulation of people and equipments. In practical terms, the confinement of a given space can be achieved with aerodynamic barriers – usually named air curtains – constituted by one or more air jets. The reduction of the energy consumption and the people’s appetence for more comfortable environments create a broad set of conditions that justify the installation of this kind of devices. This work presents the experimental study of the influence of several dynamic and geometric parameters on the performance of an air curtain device mounted between two equal and contiguous rooms kept with different temperatures. With this configuration it is intended to simulate a situation where there is the intention of isolating a comfortable room from a warmer or colder outside environment. Every experiment has done in a full scale experimental facility, especially conceived and built for this purpose. The sealing efficiency provided by the air curtain was determined, for different inclination angles and initial velocities of the air jet, through the tracer gases technique. The velocity and temperature fields were obtained, in interest zones, with a set of low velocity thermal anemometry probes. For some of the studied configurations, flow visualizations were carried out using an infrared thermographic camera. The collected data leads to some interesting findings about the influence of the discharging angle of the air jet in the sealing performance of the air curtain device. On the other hand, the use of a dummy attached to a mechanic swinging conveyor allowed to quantify the loss of efficiency of this type of sealing systems when the air jet is constantly crossed by people or objects.

Dans le secteur commercial et industriel, il y a souvent le besoin de réduire ou de contrôler les échanges de chaleur et de masse entre un espace intérieur avec une atmosphère contrôlée – où des paramètres environnementaux tels que la température de l'air, l'humidité relative, les concentrations en polluants, etc. sont maintenus dans des limites compatibles avec l’activité exercée dans cet espace – et l’espace extérieur, en exigeant, simultanément, la circulation aisée des personnes et des équipements. Plus concrètement, l’isolation d'un espace donné est normalement obtenue par l’utilisation de barrières aérodynamiques – couramment appelés des rideaux d’air – constituées par un ou plusieurs jets d’air. L’appétence de plus en plus grande de la société contemporaine pour des environnements qui offrent des conditions (thermiques ou autres) plus confortables aux utilisateurs, associée aux besoins aussi urgents d’optimisation de la consommation d’énergie, est actuellement à l’origine d’un vaste ensemble de situations qui justifient l’installation de ce genre de dispositifs. Dans ce travail, on présente l'étude expérimentale de l'influence de plusieurs paramètres géométriques et dynamiques sur la performance d'un dispositif de rideau d’air monté au dessus d’une porte de communication entre deux pièces adjacentes, d’égales dimensions, tenues à des températures différentes. Avec cette configuration, l’on prétend simuler une situation typique d’isolation d’un espace commercial ou d’un logement climatisé où l’on veut maintenir des conditions de confort thermique, relativement à un autre environnement (intérieur ou extérieur) qui peut être plus chaud ou plus froid. Les expériences ont été réalisées dans un espace expérimental, projeté et conçu à une échelle réelle pour cet effet et parmi les paramètres géométriques et dynamiques étudiés l’on trouve la hauteur de la porte à isoler, la distance (par rapport au sol) à laquelle est installé le dispositif de rideau d’air, la différence de température imposée aux deux salles tout comme la vitesse et l’angle initial du jet d’air. Dans toutes les expériences réalisées on a déterminé l’efficacité de l’isolation offerte par le dispositif de rideau d’air au moyen d’une technique de gaz traceurs. Pour certaines configurations l’on a aussi réalisé des cartes concernant la vitesse et la température d’écoulement de l’air, aussi bien à proximité de la porte á isoler que dans d’autres zones considérées importantes, et l’on a utilisé à cet effet un ensemble de seize thermo anémomètres de basse vitesse. Quelques uns de ces thermo anémomètres ont également servi à détecter la localisation du point d’impact du jet d’air au sol. Dans un ensemble plus restreint des configurations étudiées, l’on a utilisé un appareil photo thermographique à infrarouges pour obtenir des visualisations du comportement du jet d’air causé par le rideau et du mouvement des masses d’air entre les deux pièces. D’après les résultats obtenus, on peut conclure que l’ensemble des méthodes expérimentales développées au cours de cette étude permet d’évaluer, nettement, la performance réelle d’isolation aérodynamique des rideaux d’air. Au moyen de leur application, il a été possible d’obtenir des connaissances approfondies des champs d’écoulement et de la température, ce qui s’est avéré utile pour une bonne compréhension des phénomènes convectifs observés. L’étude paramétrique détaillée qui s’en est suivi est venue montrer que, pour un même dispositif de rideau d’air, l’efficacité d’isolation peut être maximisée si l’on trouve un rapport optimal entre la vitesse de l’air à la sortie du rideau et la différence entre les températures des pièces á isoler. Pour la sélection et l’installation de ces dispositifs il est aussi important d’avoir des connaissances détaillées sur l’influence des paramètres géométriques, notamment la hauteur de montage du rideau d’air et l’inclinaison initiale du jet. Un autre aspect qui a été analysé dans cette étude (et qui ne l’avait pas encore été auparavant) est lié aux perturbations causées par le passage de personnes et/ou d’objets par la porte que l’on veut isoler. L’utilisation d’un mannequin de vitrine accouplé à un système de mouvement continu a permis de quantifier la perte d’efficacité de ce genre de dispositif quand la zone d’action des jets est fréquemment traversée par des personnes.