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TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Água de Resfriamento
Um Recurso Precioso
Os processos de resfriamento de água estão entre os
mais antigos que o homem conhece, e o
abastecimento de água resfriada é um sério problema
em plantas industriais.
Tanto do ponto de vista ecológico como do econômico,
a água de resfriamento não pode ser utilizada somente
uma vez e descartada ao rio ou esgoto.
Partindo-se deste princípio, a recuperação da água
tornou-se condição mandatório para os processos
industriais, surgindo a necessidade de recirculá-la em
circuito fechado, dando então lugar a um equipamento
que tornasse esta operação possível de ser realizada a
Torre de Resfriamento de Água.
Há cem anos foram criadas na Europa as primeiras Torres de Resfriamento, em escala industrial e com fundamento
científicos.
Dentre os vários segmentos industriais que utilizam a torre de resfriamento como meio de refrigeração dos processos
que liberam energia térmica (calor), podemos citar, como ilustração, os seguintes:
1. Usinas termoelétricas e usinas nucleares: na condensação do vapor;
2. Instalações de ar condicionado (comerciais e industriais) e instalações frigoríficas: refrigeração de equipamento;
3. Usinas de Álcool, indústria de bebidas, indústrias alimentícias: processos de fermentação;
4. Indústrias químicas e petroquímicas: processo de compressão de gases.
Torre de Resfriamento com
Tiragem Natural - 1897
Torre de Resfriamento com
Tiragem Mecânica - 1996
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
No interior de uma torre de resfriamento ocorre a
transferência do calor entre a água e o ar, envolvendo: a
transferência de calor latente devido a vaporização de
uma pequena porção de água e a transferência de calor
sensível devido a diferença~de temperatura entre a
água o ar.
Desta transferência de calor aproximadamente 80%
são devido ao calor latente e 20% ao calor sensível.
O calor que se pode teoricamente remover por unidade
de massa de ar circulando numa torre de resfriamento
depende da temperatura e do teor de unidade do ar.
BALANÇO TÉRMICO NUM PROCESSO EM
TORRE DE RESFRIAMENTO (FIG.4)
h`1 (TEMPERATURA DE ÁGUA QUENTE)
A
LINHA DE OPERAÇÃO
DE ÁGUA
D
h 1 (AR DE SAÍDA)
h 1
h´2 (TEMPERATURA DA
B
ÁGUA FRIA)
h 2 (AR DE
C
ENTRADA)
LINHA DE
OPERAÇÃO
DO AR
L/G
CURVA DE SATURAÇÃO
FAIXA DE RESFRIAMENTO
APROXIMAÇÃO
Uma indicação do teor de unidade do ar é a sua
temperatura de bulbo úmido.
TEMPERATURA
DE BULBO
ÚMIDO NA
ENTRADA
AR AMBIENTE
TEMPERATURA
DE BULBO
ÚMIDO NA
SAÍDA
TEMPERATURA
DE ÁGUA
FRIA
TEMPERATURA DE
ÁGUA QUENTE
T
CURVA CARACTERÍSTICA DO RESFRIAMENTO
KAV
L
T1, T2, TF
2.0
1.5
1.0
AR SATURADO
GOTÍCULA DE ÁGUA
Teoricamente, a temperatura de buldo úmido é a
temperatura mais baixa à qual se pode resfriar a água.
Na prática a temperatura de água fria se aproxima, mas
não atinge a temperatura de bulbo úmido numa torre de
resfriamento, e isto se deve ao fato de ser impossível o
contato de toda a água com o ar fresco do ambiente,
quando esta cai pela superfície do enchimento
molhado até a bacia de água fria.
São fatores importantes numa torre de resfriamento o
tempo de contato entre o ar e a água, a grandeza de
superfície e a divisão de água em gotículas.
A teoria mais aceita do processo de transferência de
calor entre torre de resfriamento é a desenvolvida pela
Merkel.
Ela considera como força motriz no processo a
diferença potencial de entalpia.
Supõe-se que cada gotícula de água está cercada por
uma película de ar na temperatura da água, e a
diferença de entalpia entre a película e o ar ambiente
proporciona a força motriz para o processo de
resfriamento.
L/G
0.5
1.0
1.5
2.0
CURVA CARACTERÍSTICA DO ENCHIMENTO
KAV
L
2.0
1.5
EN
C
TG=M
1.0
HIM
“C”
EN
TO “B”
“A”
L/G
0.5
1.0
1.5
2.0
CURVA CARACTERÍSTICA KAV/L X L/G
NO PONTO DE PROJETO
KAV
L
RESFRIAMENTO
2.0
1.5
PONTO DE PROJETO
1.0
ENCHIMENTO
(L/G)P
0.5
1.0
1.5
L/G
2.0
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Em sua forma integrada a equação de Merkel é:
T1
Kav =
T
L
h´-h
T2
K= coeficiente de transferência de massa (kg/h.m 2)
a= área de contato por unidade de volume (m 2/m3)
V= volume ativo de resfriamento (m3/m2 de área
plana)
L= taxa de água (kg/h.m2)
h1= entalpia do ar saturado na temperatura da água
(kcal/kg)
h= entalpia da corrente do ar (kcal/kg)
T1 E T2= temperatura da água na entrada e saída,
respectivamente (ºC)
Para um conjunto de condições de projeto, ou seja,
temperatura de água quente, temperatura de água fria
e temperatura de bulbo úmido, pode-se resolver a
integral de Merkel por vários valores de L/G e obter-se
a curva característica a do resfriamento.
O CTI (Cooling Tower Institute) publica em seus livros
curvas para as mais diversas condições, feitas
mediante uso de programas de computador, utilizando
o métido Tcheby-cheff. Para resolver a equação
integral.
Os fabricante de torres de resfriamento têm, a partir de
testes realizados com seus enchimentos, as curvas
características dos mesmos.
Tendo-se dados de projeto e estabelecido o tipo de
enchimento, o ponto de projeto fica determinado.
O enchimento ideal é aquele que proporciona maior
transferência de calor e massa, com mínima
resistência à passagem do ar.
O segundo membro da equação só depende das
propriedades do ar e da água e é independente das
dimensões da torre.
A figura 3 ilustra as relações entre água e ar e o
potencial motor que existe numa torre de resfriamento
em contracorrente, onde o ar escoa na mesma direção,
mas em sentido oposto ao da água.
As coordenadas indicam diretamente a temperatura e
a entalpia de qualquer ponto da linha de operação da
água, mas indicam apenas a entalpia de operação do
ar. A temperatura do bulbo úmido corresponde a
qualquer ponto CD e é determinada até o eixo das
temperaturas.
A integral da equação anterior é representada pela
área ABCD no diagrama. Este valor é conhecido como
a Característica da torre e varia com a razão L/G
(água/ar).
Torre de resfriamento com tiragem induzida
em contracorrente
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Torres de Resfriamento com Tiragem Mecânica
Ao contrário das torres com tiragem natural, que são
utilizadas para grandes capacidades e em clima frio,
principalmente na Europa, as torres de resfriamento
com tiragem mecânica possuem ventiladores para
promover o escoamento do ar e são hoje largamente
utilizadas no Brasil.
Estas torres classificam-se quanto ao arranjo
construtivo em: tiragem forçada (onde o ar é insuflado
na torre) e tiragem induzida (onde o ar é aspirado na
torre).
Classificam-se também, quanto ao movimento relativo
ar x água, em: contracorrente (onde o ar flui em sentido
contrário à água) e corrente cruzada (onde o ar flui
perperdicularmente à água).
O desempenho de um dado tipo de torre de
resfriamento é governado pela razção entre as massas
de ar é agua e pelo tempo de contato entre ambos.
O tempo de contato entre a água e o ar é determinado,
em grande parte, pelo tempo de queda da água; desde
o sistema de distribuição, passando pelo enchimento
até alcançar a bacia de água fria (tanque inferior de
coleta). O tempo de contato é portanto obtido pela
variação da altura da torre. Se o tempo de contato é
insuficiente, nenhum aumento na razão ar-água
produzirá o resfriamento desejado. Logo, é necessário
manter uma certa altura mínima da torre de
resfriamento.
O desempenho de resfriamento de qualquer torre que
contém uma dada quantidade de enchimento varia
com a taxa de água ou comumente chamada
densidade de “chuva”.
Assim, o problema de calcular a dimensão de uma torre
de resfriamento reduz-se ao determinar a taxa
adequada de água necessária para se obter os
resultado desejados. Uma vez estabelecida a taxa de
água necessária, a área da torre pode ser calculada
dividindo-se a água circulada (em m3/h) pela taxa de
água (m3/h.m2). As dimensões da torre são, então,
função do seguinte:
1. Faixa de resfriamento - t (diferença entre as
temperaturas da água quente e fria);
2. Aproximação (approach) em relação a temperatura
de bulbo úmido (diferença entre a temperatura de água
fria e a temperatura de bulbo úmido);
3. Quantidade de água a ser resfriada;
4. Temperatura de bulbo úmido;
5. Quantidade de ar através do enchimento;
6. Altura da torre.
Torre de resfriamento com tiragem induzida
em corrente cruzada
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Componentes
Os componentes de uma torre de resfriamento em
geral não variam as duas diversas formas, porém os
materiais utilizados em sua construção evoluiram ao
longo das últimas décadas.
A madeira utilizada em larga escala para a estrutura,
paredes e enchimento, por exemplo, foi substituída por
modernos plásticos de engenharia e já podemos
encontrar no Brasil, torres de resfriamento para médias
e grandes capacidades totalmente fabricadas de
plásticos.
As torres de resfriamento pré-fabricadas de plástico
também já substituem, com propriedade, as
complexas e onerosas torres executadas de concreto,
pois já é possível obtê-las em células modulares de até
210m2 de área, por unidade.
Uma das últimas inovações no mercado brasileiro para
torres de grande capacidade foi o recente lançamento
da estrutura fabricada de perfis pultrudados de
poliéster reforçado com fibra de vidro (PRFV), a qual
substitui a estrutura de aço carbono com larga
vantagem, pois afasta definitamente o problema de
corrosão.
Um enchimento de grande capacidade de troca
térmica por evaporação resulta em uma torre de
dimensões, consumo de energia e custo, menores que
uma outra com enchimento de menor capacidade.
Porém, de nada adiante instalar uma torre de menor
custo comparativo, se após breve período de operação
com água rica em sólidos, a capacidade de troca
térmica reduzir-se gradativamente pela acumulação
destes no enchimento.
Em outras palavras, a escolha do enchimento
adequado deverá basear-se no conhecimento das
características da água a circular e do ar ambiente em
relação ao comportamente deste.
Como a escassez de água deverá continuar ou até
agravar-se no futuro, a torre de resfriamento
permanecerá com lugar de destaque na preservação e
utilização racional deste recurso natural essencial a
água.
Uma atenção especial deve ser dada ao enchimento
de contato. O material e a configuração do enchimento
a ser escolhido para uma determinada torre dependem
das características da água que circulará e das
propriedades físicas dos sólidos nela suspensos ou
dissolvidos.
Torre de resfriamento com tiragem induzida
em corrente cruzada
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Referências Bibliográficas
- R.H. Perry, C.H. Chilton, Manual de Engenharia Química, 5ª ed. RJ, Guanabara Dois, 1980.
- Cooling Tower Performance Curves, Perfomance & Technology Commitee, CTI Texas, Millican Press, 1967.
- Berechnung von Kühltürmen und Einspritzkühlern mit Hilfe einer Verdunstungs)Kennzahi, K.Spangemacher
Bochum Brennstoff-Warne_Kraft 5, 1957.
- Balcke-Dürr, Natural Draught Wet Cooling Tower Nature´s Good Deed, Ratingen, 1996.
- Carlos von Wieser, Enchimentos de contato para torres de resfriamento de água 3ª rev., SP, Alpina Equipamentos,
1992.
Torre de Resfriamento com Tiragem do Ar Forçada
(Insulflamento) em Contracorrente
Torre de Resfriamento com Tiragem do Ar Forçada
(Insulflamento) em Contracorrente
TORRES DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA
Torre de Resfriamento com Tiragem Induzida
(Aspiração) em Contracorrente
Torre de Resfriamento com Tiragem Induzida
(Aspiração) em Contracorrente
Torre de Resfriamento com Tiragem Induzida
(Aspiração) em Contracorrente