auditoria em torres de resfriamento em indústrias química

JÉSSICA DUARTE DE OLIVEIRA
AUDITORIA EM TORRES DE RESFRIAMENTO EM
INDÚSTRIAS QUÍMICAS
Monografia apresentada ao Programa de Pós-graduação
em
Engenharia
Industrial,
Escola
Politécnica,
Universidade Federal da Bahia, como requisito parcial
para a obtenção do grau de Especialista em Engenharia
Econômica, Estratégia e Prevenção de Perdas na
Indústria – CEPI.
Orientador: Prof. Dr. Salvador Ávila
Salvador
2011
JÉSSICA DUARTE DE OLIVEIRA
AUDITORIA EM TORRES DE RESFRIAMENTO EM
INDÚSTRIAS QUÍMICA
Monografia apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de
Especialista em Engenharia Econômica, Estratégia e Prevenção de Perdas na
Indústria – CEPI, Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia.
Monografia aprovada em 23 de maio de 2011.
________________________________________
Prof.: Dr.: Salvador Ávila, Orientador
Instituição: Universidade Federal da Bahia
Salvador
2011
AGRADECIMENTOS
À Deus, em primeiro lugar.
À toda minha família.
Ao professor Dr. Salvador Ávila pela confiança, e sua contribuição acadêmica
diária.
Ao coordenador do CEPI Prof.: Dr.: Antônio Francisco pela gestão e
organização durante todo andamento do curso.
Aos Secretários Tatiana e Edilson, pela atenção dedicada a todos os alunos do
Programa de Engenharia Industrial.
Aos meus colegas de curso, pelo apoio e pelos momentos de discussão que
contribuíram bastante para a nossa formação.
Ao Programa de Engenharia Industrial – PEI pela disponibilidade de sua
estrutura física.
A todos aqueles que contribuíram de alguma forma para a realização deste
trabalho.
Somos o que fazemos repetidamente. Por isso o mérito não está na ação
e sim no hábito.
Aristóteles
OLIVEIRA, Jéssica Duarte. Auditoria em Torres de Resfriamento em Indústrias
Químicas. 2011. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização) – Escola
Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador.
RESUMO
Devido ao grande consumo de água clarificada nas torres de resfriamento,
acima de 50% do total que entra em unidades industriais químicas, torna-se
necessário fazer auditorias frequentes nestes equipamentos. A auditoria em
torres de resfriamento visa diminuir o consumo de água no make-up de água
para este equipamento e verificar a quantidade de blow-down para manter o
ciclo de concentração constante. As torres de resfriamento são equipamentos
similares a trocadores de calor resfriados a ar, trabalhando com diferenciais de
temperatura bastante reduzidos sendo, portanto muito sensíveis do ponto de
vista de rendimento a mudanças nos parâmetros usados no seu projeto
termodinâmico.
Vazamentos
de
água,
caminhos
preferenciais
nos
enchimentos, deformação no fluxo de ar, etc. influem diretamente no
desempenho destes equipamentos modificando os parâmetros já citados. Em
vista disto, é necessária uma atenção redobrada na operação e manutenção
das torres. Uma das ferramentas usuais e que podem dar uma resposta
positiva no desempenho destes equipamentos é programar auditorias. As
auditorias tem como resultado a proposição de uma série de atividades, e que
trazem com resultado real a redução do consumo de água e de energia com
melhor enquadramento do perfil das operações unitárias na indústria química.
Palavras-chave: Torres de resfriamento, auditoria em torres, reuso de água de
resfriamento.
OLIVEIRA, Jéssica Duarte. Cooling Tower Auditing in Chemical Industry. 2011.
Dissertation– Polytechnic School, Federal University of Bahia, Salvador.
ABSTRACT
Due to the large consumption of clarified water in cooling towers, over 50% of
which enters into chemical plants, it becomes necessary to make frequent
audits on these equipments. The audit cooling tower aims to reduce water
consumption in make-up water for the equipment and check the amount of
blowdown to maintain a cycle of constant concentration. Cooling towers are
devices similar to heat exchangers, air cooled, working with very low
temperature differentials are therefore very sensitive in terms of yield to
changes in its design parameters used in thermodynamics. Water leaks,
preferential paths in the fillings, deformation in air flow, etc.. directly influence
the performance of these devices by changing the parameters already
mentioned. In view of this, careful attention is needed in the operation and
maintenance of the towers. One of the usual tools and can give a positive
response in the performance of these devices is to program audits. The audits
have resulted in the proposition of a series of activities, and that bring real
results with the reduction of water consumption and energy to better fit the
profile of the unit operations in chemical industry.
Keywords: Cooling towers, audit towers, cooling water reuse.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama psicrométrico de uma torre de resfriamento (MELLO, 2008)
18
Figura 2: esquema mostrando a evaporação de água e remoção de calor em
um sistema de resfriamento. ............................................................................ 19
Figura 3: Metodologia de melhoria do desempenho em Torres de Resfriamento
(Ávila, 2010). .................................................................................................... 23
Figura 4: Exemplo da torre analisada (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) ......... 28
Figura 5: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de
projeto da unidade de amônia .......................................................................... 32
Figura 6: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de
processo da unidade de amônia ...................................................................... 33
Figura 7: Pareto dos Itens que mais influenciam no desempenho da torre de
resfriamento ..................................................................................................... 34
Figura 8: Interior do plenum ............................................................................. 35
Figura 9: Eliminador de gotículas ..................................................................... 35
Figura 10: Ventilador sujo com óleo ................................................................. 36
Figura 11: Diferenças na distribuição frontal torre ............................................ 36
Figura 12: Distribuição com bacias de água quente (torres de correntes
cruzadas) (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) .................................................... 37
Figura 13: Presença de águas e plantas .......................................................... 37
Figura 14: Resumo da Auditoria feita na torre de resfriamento da área de
amônia ............................................................................................................. 38
Figura 15: Carta Psicrométrica da Torre analisada .......................................... 39
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dados de projeto da torre da unidade de amônia ............................ 31
Tabela 2: Resultados da vazão de evaporação em m³/h ................................. 31
Tabela 3: Resultados da vazão de recirculação em m³/h ................................. 31
NOMENCLATURA
H = volume total do sistema
CC = CR = Ciclo de concentração
HTI = Holding Time Index
RR = Vazão de recirculação saída
RRe = Vazão de recirculação entrada
RRear = Vazão de água entrando / ar seco
RRar = Vazão de água saindo / ar seco
E = EV = vazão de evaporação
M U = MW = Total de água clarificada entrando na torre
PT = Total perdas líquidas sistema
Perda mecânica = Respingo = P
Blow-down = BD = PT- Perda mecânica
Te = temperatura de entrada da água
Ts = Temperatura de saída da água
Tbw= Temperatura de bulbo úmido
ΔT = DT = Delta T = Ts – Te
AGR = Água de resfriamento
Q = taxa de calor
m = vazão mássica
Cp = Calor específico
η = eficiência
SR = sistema de resfriamento
TRG=Torre de resfriamento
ATR = Auditoria em Torres de Resfriamento
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 13
2. REVISÃO DA LITERATURA..................................................................... 15
3. METODOLOGIA ........................................................................................ 23
3.1. Dados e Procedimento .............................................................................. 24
3.2. Desempenho térmico e Cálculos ............................................................... 24
3.3. Auditoria local de torre e sistema de resfriamento ..................................... 26
4. RESULTADOS .......................................................................................... 28
5. CONCLUSÃO ............................................................................................ 40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 42
Capítulo 1 – Introdução
13
1. INTRODUÇÃO
As Torres de resfriamento evaporativas são normalmente usadas para
fornecer o resfriamento da água a partir do contato direto com o ar. Dois
mecanismos de remoção de calor ocorrem na torre de resfriamento
evaporativa: remoção de calor por evaporação e transferência de calor
sensível. A transferência de calor sensível se refere ao calor transferido pela
diferença de temperatura entre a água e o ar.
As perdas por evaporação da água das torres de resfriamento
determinam a necessidade de reposição. Embora a literatura discuta as perdas
evaporativas, a fração relativa de calor removido pela evaporação e pela
transferência de calor sensível não tem sido devidamente avaliada. Tem seu
princípio de operação na troca simultânea de calor e massa, com a vantagem
de evitar desperdício de água, um fator de alta importância atualmente mas
sem muito cuidado.
O cálculo de balanço de massa e de energia para torres é impreciso
devido à quantidade de variáveis ambientais e de processo envolvidas.
Embora exerça importância nas condições operacionais do processo, é
um equipamento de pouca atenção no setor industrial, exceto nas fases de
projeto da fábrica e especificação da torre. De fato, como em todo processo
industrial, podem ocorrer falhas ou interrupções; mas a busca desses
problemas, na maioria das vezes, focaliza-se no processo propriamente dito,
raramente se direciona a atenção para o serviço de utilidades e a torre de
resfriamento.
As torres de resfriamento na Indústria Química não tem tido atenção
adequada que é transferida de forma inadequada para empresas tratadoras de
água que atuam independentes na dosagem de produtos químicos sobre a
água de resfriamento. Com as auditorias em torres de resfriamento existe um
retorno destas atribuições para os técnicos da empresa. Por outro lado, por se
tratar de uma instalação não integrante do processo (a torre de resfriamento
faz parte das “utilidades”) e porque em geral fica topograficamente afastada
das unidades produtivas da fábrica, o sistema de resfriamento, muitas vezes,
tem sido relegado nos estudos. Porém, em face da importância das interações
envolvidas com as unidades, a torre e o circuito da água de resfriamento
Capítulo 1 – Introdução
14
merecem uma atenção especial na análise sistêmica de um processo industrial
e, às vezes, a solução de alguns problemas operacionais pode ser encontrada
ao ampliar o foco do seu estudo para as utilidades da fábrica (Cortinovis &
Song, 2006).
Na
literatura
encontram-se
diversos
trabalhos
sobre
torre
de
resfriamento. No entanto, nota-se uma carência de estudos sobre variáveis de
operação e dados experimentais do seu desempenho. De fato, normalmente,
estes dados baseiam-se nas informações do fabricante, sem uma verificação
posterior na prática, após a implementação da torre.
As variáveis que são estabelecidas na especificação de uma torre de
resfriamento de água são a carga térmica a ser removida do processo, a vazão
de circulação de água, a diferença das temperaturas de entrada e saída da
torre (range), a diferença entre a temperatura da água que sai da torre e a
temperatura de bulbo úmido do ar ambiente (approach).
Na especificação destes parâmetros, consideram-se, em geral, as
condições médias e usuais de operação. Mas, dois aspectos relevantes nem
sempre são levados em conta: as interações do sistema de resfriamento como
um todo e a operação da torre quando ocorrem demandas térmicas de pico.
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
15
2. REVISÃO DA LITERATURA
A água que sai dos trocadores de calor é conduzida e distribuída no
topo da torre de resfriamento, constituída de um enchimento interno para
melhor espalhar a água (http://www.abctorre.xpg.com.br/2.html). A torre é
alimentada com água captada de poços subterrâneo e previamente tratada,
esta é insuflada com ar ambiente, este em contracorrente ou corrente cruzada
com a água (CORTINOVIS & SONG, 20_). Sendo um equipamento de
remoção de calor de uma corrente de água para o ar atmosférico
consequentemente o resfriamento de água.
Água de refrigeração da torre de resfriamento é bombeada para
trocadores de calor onde o calor dos resíduos deve ser rejeitado a partir do
processo para o ambiente. A água de refrigeração por sua vez é aquecida na
rede de trocadores de calor e volta para a torre de resfriamento que flui sobre o
enchimento e é contactado em contra corrente ou fluxo cruzado com o ar. O
enchimento deve fornecer uma grande área interfacial de transferência de calor
e massa entre o ar e a água.
O ar é umedecido, aquecido e sobe através do enchimento. A água é
arrefecida por evaporação, principalmente à medida que cai. A água evaporada
deixa o topo da torre de resfriamento reflete o dever de arrefecimento que é
perdida através da evaporação. As gotículas têm a mesma composição que a
água de recirculação e é diferente de evaporação. Perda de água pelas laterais
é de cerca de 0,1 a 0,3% da taxa de circulação de água.
Purga é necessário evitar o acúmulo de contaminação na água de
recirculação. A água de reposição é necessária para compensar a perda de
água por evaporação, purga, arraste e respingo. A água composição contém
sólidos que se acumulam na recirculação como resultado da evaporação.
Tanto o crescimento microbiológico e a corrosão precisam ser inibidos
por dosagem química do sistema de recirculação.
O recheio de plástico tem limitações severas de temperatura, tanto
quanto a temperatura de retorno da água de refrigeração. Se a temperatura for
muito alta, o recheio plástico irá deformar e isso irá resultar em uma
deterioração do desempenho da torre de resfriamento. PVC está limitado a
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
16
uma temperatura máxima de cerca de 50 ◦ C. Outros tipos de receios de
plástico podem suportar temperaturas de até cerca de 70 ◦ C.
Os produtos químicos são adicionados ao sistema de circulação para
evitar sujeira no interior da torre. Dispersantes são adicionados para prevenir o
acúmulo de sólidos, inibidores de corrosão para evitar a corrosão e biocidas
para inibir o crescimento biológico.
Há algumas tendências gerais que podem ser observadas para o
projeto de torres de arrefecimento em termos de temperatura e vazão da água
de refrigeração de entrada para a torre. O aumento da temperatura da entrada
de um projeto de torre de resfriamento para um valor fixo aumenta o
desempenho da torre de resfriamento e permite que mais calor a ser removido.
Por outro lado, se a vazão para a entrada de uma torre de resfriamento dado é
diminuída para uma temperatura de entrada fixa, o desempenho da torre de
resfriamento aumenta, permitindo que mais calor a ser removido. Assim, o
desempenho de uma torre de resfriamento é maximizado através da
maximização da temperatura de entrada para a torre de refrigeração e
minimizar a vazão de entrada. É, portanto, útil para ser capaz de prever o fluxo
mínimo de água de refrigeração, tendo em conta as limitações de transferência
de calor do que os direitos individuais de resfriamento.
As maiorias das redes de água de resfriamento envolvem o uso de
refrigeração de água diretamente da torre de resfriamento em cada trocador de
calor. Isto leva a um arranjo paralelo dos refrigeradores (Smith, 2005).
Por meio desse contato líquido gás, parte da água evapora e ocorre o
seu resfriamento. Na torre, a principal contribuição para o resfriamento da água
é dada por essa evaporação de parte da água que circula na torre (WAKI,
2009). A evaporação da água – transferência de massa da fase líquida para a
fase gasosa – causa a diminuição da temperatura da água que escoa ao longo
da torre de resfriamento porque a água para evaporar precisa de calor latente,
e esse calor é retirado da própria água que escoa pela torre (MORETTI,
CORAZZINI,
&
PEGAN,
2006).
Este
fenômeno
é
responsável
por
aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura
entre o ar e a água é responsável pelos outros 20 % do resfriamento (MELLO,
2008).
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
17
Estes equipamentos são projetados para expor uma grande área de
superfície entre a água e um fluxo elevado de ar, por um determinado período
de tempo. As torres de resfriamento abaixam a temperatura da água por
evaporação. Aproximadamente 2300 kJ de calor são removidos para cada
quilograma de água evaporada (MSPC, 2011).
O tamanho de uma torre de resfriamento é estabelecido pela demanda
de calor a ser removido de um sistema por unidade tempo. O range refere-se à
diferença de temperaturas de entrada e saída da água na torre, ou seja, o
quanto esta água de circulação é resfriada na torre. Esta diferença é uma
função da carga de calor e da quantidade de água que está passando pelo
equipamento.
Conforme visto, o approach é a diferença entre a temperatura da água
de saída da torre de resfriamento e a temperatura de bulbo úmido. Este valor
reflete o desempenho térmico da torre, bem como está associado ao seu
tamanho. Geralmente, o approach de uma torre de resfriamento está
compreendido entre 3°C e 11°C e conforme esta temperatura é reduzida, o
tamanho da torre aumenta exponencialmente (PANNKOKE, 1996).
A carga térmica, o range e a temperatura de bulbo úmido são variáveis
que afetam o tamanho da torre de resfriamento. Isto pode ser notado quando a
temperatura de bulbo úmido cai, a temperatura da água resfriada também cai
mantendo fixas as demais condições (PANNKOKE, 1996).
A temperatura de bulbo úmido é um fato importante no desempenho
operacional de uma torre de resfriamento, bem como no seu dimensionamento
e seleção.
A escolha do valor da temperatura de bulbo úmido para o projeto não é
simples, pois esta variável é função das condições ambientais locais que
variam durante o dia, à noite e durante as estações do ano. Entretanto, sua
escolha é feita com base nas médias das máximas temperaturas de bulbo
úmido durante os meses de verão, porém este critério pode ser revisto quando
a unidade industrial dispõe de torres e ventiladores “sobressalentes” que
possam ser mantidos em stand by.
No diagrama mostrado na Figura 1, estão indicadas as variações das
condições térmicas do ar ao passar por uma torre de resfriamento
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
18
(considerando que o ar deixa a torre de resfriamento com umidade relativa
igual a 100%). Na entrada da torre, para o ponto E do diagrama psicrométrico,
o ar está na condição ambiente, na saída, no ponto S do referido diagrama, o
ar está saturado (W R=100%).
O aumento de entalpia verificado é aquele correspondente à qualidade
total trocado com a água, provocando, com isso, a elevação da temperatura de
bulbo seco do ar.
Figura 1: Diagrama psicrométrico de uma torre de resfriamento (MELLO, 2008)
Em torres de resfriamento com corrente cruzadas, há possibilidade de se
instalarem os ventiladores na parede lateral; desta maneira, pode-se aumentar
a altura do recheio sem a necessidade de alterar a posição do ventilador.
Outra informação importante, no estudo de torres de resfriamento, são
as curvas de desempenho onde estão relacionadas as seguintes condições de
operação: temperatura de bulbo úmido, range e approach, fluxo volumétrico de
água e o rating fator. Este fator representa o número de unidades de torre
requerido para uma dada situação (EVANS, 1980). Estas curvas de
desempenho dependem da característica do recheio na torre e das vazões de
ar e água pelo equipamento (CASTRO, SONG, PINTO, 2000).
Assim, ocorre um fenômeno de transferência simultânea de calor e de
massa neste processo, ou seja, há uma diferença de concentração entre a
água (fase líquida) e a água presente no ar (fase vapor – umidade do ar); isto
proporciona uma força motriz que faz com que a água (líquido) tenha uma
tendência a equilibrar a concentração com a fase gasosa (umidade do ar). Para
a água passar para a fase vapor, ela necessita de energia, que é obtida na
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
19
forma de calor da água que permanece na fase líquida, resultando no
resfriamento desta última. Assim, quanto mais seco estiver o ar, maior será a
força motriz e a tendência da água evaporar, resultando em maior quantidade
de calor removido e consequentemente, menor temperatura da água resfriada.
Na Figura 2 está ilustrado este processo.
Pelo fato dos dois mecanismos de transferência serem fortemente
dependentes da área de troca, os sistemas de resfriamento são projetados de
modo a propiciar uma grande área superficial de contato da água com o ar,
conseguida através de bicos para pulverização / distribuição e recheios
(colmeias) para otimizar o contato.
Figura 2: esquema mostrando a evaporação de água e remoção de calor em
um sistema de resfriamento.
A temperatura mínima obtida num sistema de resfriamento a água
pode até ser menor que a temperatura ambiente, dependendo da umidade
relativa do ar e da eficiência do equipamento. No entanto, existe um valor
mínimo na qual a temperatura deste processo pode chegar que é a chamada
Temperatura de Bulbo Úmido. Esta, por sua vez, é determinada colocando-se
um pedaço de algodão umedecido (ou gaze, ou flanela) em volta do bulbo de
um termômetro (ou outro instrumento de medida), fazendo-se passar pelo
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
20
mesmo o ar a certa velocidade; a água evapora e retira calor da água que ficou
no algodão, provocando o abaixamento da temperatura.
A diferença entre a temperatura da água resfriada e a temperatura de
bulbo úmido é chamada de Approach e pode, inclusive, ser usada para avaliar
a eficiência de um sistema de resfriamento: quanto mais próxima do bulbo
úmido estiver a temperatura da água resfriada, maior será a eficiência da
instalação. De modo geral, valores de Approach maiores que 10 ºC indicam
operação deficiente no sistema de resfriamento (subdimensionamento,
obstruções ou canais preferenciais nos recheios, bicos entupidos / danificados,
baixa velocidade do ar, etc.), embora alguns autores e técnicos adotem limites
máximos de Approach de 6 ºC .
As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado
limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de
transferência de calor e massa (REIS, SILVEIRA, & DOMENI). O aumento das
vazões de ar e água causa um aumento da turbulência, o que favorece a
transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto,
quando as vazões de água e ar tornam-se muito altas, o contato entre a água e
o ar torna-se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de
água pela corrente de ar. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo
tipo de recheio empregado.
O desempenho de uma torre de resfriamento varia, entre outros
fatores, conforme a temperatura do ar ambiente, umidade do ar, temperatura
de bulbo úmido, ou seja, com o clima (www.omnigrupo.com.br). No inverno, a
temperatura do ar cai e a temperatura de saída da água também cai, caso a
carga térmica seja mantida constante (CORTINOVIS & SONG, 2006). Para
manter a temperatura da água de saída constante, pode-se diminuir a vazão de
água que circula no sistema de refrigeração. No verão, ocorre o inverso, a
temperatura de saída da água aumenta, comprometendo a operação de um
condensador em uma coluna de destilação, por exemplo. Pode-se aumentar a
vazão de água no sistema, visando compensar o aumento de temperatura
(MORETTI, CORAZZINI, & PEGAN, 2006).
Fontes de calor próximas às torres de resfriamento podem influenciar
sua operação. Problemas de recirculação e interferência são comuns em torres
de resfriamento. A recirculação ocorre quando o ar quente e úmido que deixa a
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
21
torre contamina o ar que está entrando na torre (BUHRMANN, WALDT,
HANEKOM, & FINLAYSON, 1999). Esta situação pode ocorrer devido à
direção dos ventos, dificuldades de dispersão do ar de saída e formação de
neblina. A interferência ocorre quando a ar que sai de uma torre contamina o ar
de entrada de outra torre próxima, a direção dos ventos pode causar tal
problema.
A formação de neblina ocorre quando parte do vapor de água que sai
da torre condensa em pequenas gotas, devido ao contato com o ar ambiente
mais frio, tornando-se o ar supersaturado. A formação de neblina ocorre com
mais frequência no inverno, dificultando a dispersão do ar quente que sai da
torre.
Os sais dissolvidos, luz, sólidos e matéria orgânica em suspensão
dissolvidos na água de resfriamento são fatores que contribuem para a
formação de um meio favorável à proliferação de algas, bactérias e fungos, que
por sua vez, prejudicam não só a operação da torre de resfriamento, mas
também o desempenho térmico da rede de trocadores de calor. A formação de
algas e fungos pode provocar a queda de eficiência, deformação e
desprendimento do recheio da torre de resfriamento. O tratamento químico da
água de resfriamento para o controle de dureza, pH, condutividade e DBO é
importante não só para o desempenho da torre de resfriamento, mas também
da rede de trocadores de calor (CAMPAGNE, 1984).
Em um sistema de torres úmidas a água evaporada é totalmente
perdida para a atmosfera, cerca de 70% da água captada, esta evaporação
pode causar formação de neblina dependendo da temperatura e da umidade
do ar (BLOEMKOLK & SCHAAF, 1996). Em alguns países se tem se reportado
danos sobre a vegetação nos arredores das torres de resfriamento, causada
pela utilização de anticorrosivos afetando agricultura da região (SANTIAGO &
SANTOS). Devido às perdas por evaporação que ocorrem na torres úmidas, os
sais de Ca, Mg, Na, CO3, HCO3 e SO4, presentes naturalmente na água,
aumentam suas concentrações no líquido circulante (WAKI, 2009). Para evitar
incrustações, é necessário retirar constantemente uma quantidade de água,
cujo conteúdo de sólidos dissolvidos é da ordem de 3 vezes o conteúdo da
água captada (MELLO, 2008).
Capítulo 2 – Revisão da Literatura
22
As consequências da presença de incrustações em circuitos de
resfriamento são:
• Diminuição das taxas de troca de calor nos trocadores, devido à baixa
condutividade térmica das incrustações;
• Obstrução e até destruição do enchimento (colméias) de torres de
resfriamento;
• Obstrução (parcial ou total) de tubulações e acessórios, restringindo a
área de fluxo e, consequentemente, limitando a vazão;
• Entupimento de bicos e dispositivos distribuidores de água nas torres
de resfriamento, promovendo a ocorrência de canais preferenciais de
escoamento e diminuindo a eficiência do equipamento;
• Aumento dos processos corrosivos que ocorrem sob os depósitos
(áreas sujeitas a diferenciais de aeração).
Capítulo 3 – Metodologia
23
3. METODOLOGIA
A fim de maximizar a eficiência, as principais variáveis que influenciam o consumo
de energia e água estão a ser identificadas e sua influência analisada. Este trabalho
desenvolve uma abordagem para o problema da gestão de energia e água em sistemas
de refrigeração. A Torre de Resfriamento é parte integrante da unidade de utilidade e
garante que as operações unitárias executem o serviço proposto com êxito quando o seu
funcionamento esteja igual ao projeto proposto. A maioria das instalações fabris altera a
configuração do sistema de resfriamento para atender novas condições de produção,
modificando assim a demanda energética por água fria.
As estatísticas mostram que mais da metade da água na indústria é perdida
devido à evaporação. Isso é indicativo de uma gestão ineficiente da energia. Todas as
plantas de processo químico, mesmo aquelas com as disposições mais abrangentes para
a recuperação do calor requer um dissipador de calor externo para remover energia
térmica e de controlar a temperatura dos fluidos de processo. Com a sua abundância
relativa, a capacidade de calor elevado transportabilidade e custo relativamente baixo, a
água continua a ser o meio preferido para gestão de energia industrial.
Assim, se faz necessário analisar o desempenho térmico das torres e
acompanhar a gestão quanto a procedimentos de operação e de manutenção.
A Figura 1 mostra a sequência que deve ser adotada durante uma auditoria em
torres de resfriamento.
Figura 3: Metodologia de melhoria do desempenho em Torres de Resfriamento (Ávila,
2010).
Capítulo 3 – Metodologia
24
3.1. Dados e Procedimento
Análise preliminar
A primeira etapa a ser feita ao chegar à torre de resfriamento á a análise
preliminar. Ela visa em fornecer um diagnóstico rápido do funcionamento. Os aspectos
importantes a ser analisados são: temperatura de entrada e saída da torre de
resfriamento, vibração dos ventiladores e bombas, aparência da piscina superior e
inferior, presença de água no plenum, parâmetros existentes no painel de controle e são
os mesmo que os parâmetros de campo.
Projeto e dados de processo
Após coletar os dados de projeto e de processo é necessário fazer uma análise
crítica.
Os dados importantes de processos a serem avaliados são:
a)
Temperatura na bacia de água quente e fria;
b)
Carga térmica da planta e variabilidade que afetam trocadores de calor;
c)
Vazão de chegada na bacia de água quente é a mesma que a vazão de
saída na bacia de água fria (possibilidade de vazamentos nas linhas);
e)
Verificar as condições dos ventilados e bombas;
f)
Dureza cálcio da água de recirculação e do make-up;
g)
Ciclo de concentração;
h)
Umidade em dias com chuva;
i)
Umidade em dias ensolarados;
j)
Temperatura de bulbo úmido e bulbo seco estimativa;
k)
Velocidade da água nos trocadores críticos;
l)
Blow-down.
3.2. Desempenho térmico e Cálculos
Nessa etapa do trabalho são desenvolvidos os balanços de massa e energia por
métodos diferenciados para avaliar impacto de fatores que podem influenciar no
desempenho térmico das torres de resfriamento. Serão preparados modelos matemáticos
Capítulo 3 – Metodologia
25
simples na intenção de testar o desempenho com a simulação de novas situações ou
condições de operação nas torres e no sistema de resfriamento.
Serão analisados também os erros cometidos a partir do controle de operação de
sistemas de resfriamento com isso será possível preparar recomendações com novos
procedimentos. Prepararão e implantarão teste para análise de desempenho das torres
de resfriamento. Durante esse processo serão estimados dados faltantes para a
realização dos testes através de medição no campo.
Avaliarão cenários de variabilidade ambientais e de processo da planta industrial,
que possam influenciar no desempenho das torres de resfriamento e que medidas devem
ser tomadas para estabilizar a operação.
Realizarão as recomendações e direcionarão as demandas específicas para
especialistas, caso seja necessário acompanhamento dos serviços de especialista.
São 4 métodos utilizados para calcular o balanço de massa, abaixo está citado
cada método com as respectivas fórmulas:
Método 1: Esse método é utilizado por uma tratadora de água
)
((
(
)
)
(1)
(2)
(3)
(4)
(
)*RR
(5)
(6)
Método 2: Balanço de massa
(7)
As perdas por respingo são da ordem de 0,1 a 0,3%. Nas torres alpinas de menor
porte este valor pode chegar a 0,01%.
A quantidade de sólidos entrando no make-up será proporcional à quantidade de
sólidos removidos nas perdas, proporcionalidade esta dada por uma constante, CR,
denominada ciclo de concentração.
Esta constante CR constitui-se em um importante índice para o acompanhamento
e operação de sistemas de água de resfriamento, visto que é proporcional ao teor de
sólidos na água de circulação.
Capítulo 3 – Metodologia
26
Este índice indica quantas vezes a concentração de sólidos na água em
circulação é maior que a concentração de sólidos na água de reposição. De acordo com
as formulas mostradas anteriormente, tem uma relação entre as quantidades de água de
reposição, blowdown e cada ciclo de concentração.
Método 3: Balanço de energia
(8)
Onde, o volume de água perdido por evaporação é proporcional à queda de
temperatura na torre de resfriamento e à vazão de recirculação
Método 4: Carta de umidade
(
(
))
(9)
(10)
(11)
(12)
Estes métodos indicam diferenças tanto no cálculo da evaporação quanto na
verificação da recirculação necessária para a troca térmica medida da água para
resfriamento. A verificação quanto à eficiência de troca térmica por distribuição e pelo
ventilador também pode levar a erros neste cálculo. Os itens de maior risco de erros são:
vazão de recirculação, vazão nos ventiladores e análise do ciclo de concentração, visto
que, as condições de umidade, bulbo e temperaturas do processo foram verificadas uma
por uma na auditoria.
3.3. Auditoria local de torre e sistema de resfriamento
Auditoria é conjunto de procedimentos técnicos para a revisão do sistema , cujo
objetivo é averiguar se elas estão de acordo com as disposições planejadas ou
estabelecidas previamente, se foram implementadas com eficácia e se estão adequadas
(em conformidade) à consecução dos objetivos.
Esta atividade é desenvolvida seguindo as seguintes etapas:
1.
Definição de roteiro;
2.
Comunicação para a operação;
3.
Execução da Auditoria;
4.
Preparação de Relatório.
Capítulo 3 – Metodologia
27
Na Definição de roteiro (1) é importante avaliar quais são os itens críticos por tipo
de torre de resfriamento que foram verificados na análise preliminar.
Na comunicação para a operação (2) não é apresentado o horário nem o roteiro
da visita de auditoria.
Na execução da Auditoria (3) é importante recolher material para análise visual e
estimar vazões e perdas de ar ou água. Instrumentos com princípio de pirômetro para
medir temperatura, dimensões das caixas da torre para estimar perdas, dados de projeto
do ventilador e das vazões para estimar o desempenho.
A Auditoria pode indicar falhas na operação e manutenção da torre de
resfriamento.
Na etapa de relatório (4) são apresentados os registros da auditoria e as
recomendações necessárias para melhorar o desempenho da torre de resfriamento.
Para aperfeiçoar a gestão energética em torres de resfriamento deve-se utilizar o
ventilador e a recirculação da água de forma proporcional à demanda das plantas. Assim,
faz parte do trabalho de auditoria em torres de resfriamento avaliar o nível de automação
e quantificar qual a economia atingida caso se façam alterações no sistema de controle.
Capítulo 4 – Resultados
28
4. RESULTADOS
A metodologia de auditoria em torre de resfriamento foi realizada em uma indústria
no setor químico no estado da Bahia. A torre auditada é de corrente cruzada e fica situada
na unidade de amônia. As torres de maior porte são divididas em células independentes,
cada uma com seu ventilador, para maior flexibilidade operacional. A parte central da
plataforma é ocupada pelos ventiladores. As bacias de distribuição de água quente, com
orifícios, ficam à esquerda e à direita dos ventiladores, na altura da plataforma e um
pouco acima do enchimento. Os eliminadores de gotas ficam ao longo de toda a
superfície do enchimento, do lado da saída de ar. O espaço vazio, na parte central, entre
os dois lados do enchimento, é a câmara de plenum que, como nas torres de contra
corrente, serve para equalizar a pressão de sucção dos ventiladores no enchimento. A
água é coletada e acumulada na bacia de água fria, na base da torre, de onde é
bombeada para os pontos de utilização. O retorno da água quente é feito através dos
tubos, nos dois lados da torre, sobre as bacias de distribuição. As venezianas, nas laterais
da torre, tem finalidade melhorar a distribuição de ar para o enchimento, servindo também
para conter os respingos de água.
Figura 4: Exemplo da torre analisada (Casetta, E., & Mansur, W. 2009)
Essa torre analisada possui dois trocadores críticos que somente eles necessitam
de uma vazão de pelo menos 10820m³/h sendo 60% da capacidade total da mesma.
Assim a linha até esses trocadores não pode estar obstruída para não prejudicar o
desempenho da unidade.
Foi calculada a energia liberada pela torre com os dados de processo e projeto
através da formula 13.
Capítulo 4 – Resultados
onde Cpágua = 4,19MJ/(t°C)
29
(13)
Dados de projeto:
m = 18000 t/h
ΔT = 10 °C
Q = 18000*4,19*10*10-3
Q = 754,2 GJ/h
Dados de processo:
m = 17856 t/h
ΔT = 8,2 °C
Q = 17856*4,19*8,2*10-3
Q = 613,5 GJ/h
Calculou-se a eficiência energética da torre (η), tem-se:
η = (Q (medição) / Q (projeto)) * 100
η = (613,5/754,2)*100
η = 81,34%
Verificou-se que a torre opera com 81,34% de sua capacidade energética. Esse
desempenho pode ser melhorado pois foi verificado alguns itens críticos que serão
discutidos a seguir.
A redução na transferência de energia é devido ao gradiente térmico e variação de
temperatura.
Na
Capítulo 4 – Resultados
30
Tabela 1 segue as informações sobre os dados de projeto da torre de resfriamento
analisada durante a auditoria.
Capítulo 4 – Resultados
31
Tabela 1: Dados de projeto da torre da unidade de amônia
Dados de projeto da torre
Recirculação
Capacidade de resfriamento
Temperatura da água fria
Temperatura da água quente
Delta da Temperatura
Temperatura de bulbo úmido de projeto
Temperatura do ar deixando a torre
Velocidade periférica
Vazão de ar de projeto (min)
Vazão de projeto (max)
Aumento da vazão
Consumo de energia
Torre da unidade de amônia
18000m³/h
754,2 GJ/h
32°C
42°C
10°C
27°C
37°C
3591m/min
47287m³/min
200 BHP
Os métodos citados na metodologia indicam diferenças tanto no cálculo da evaporação
quanto na verificação da recirculação. As diferenças variam entre 30 a 50% para
evaporação e entre 40 a 60% no caso de cálculo para vazão de recirculação. A
verificação da eficiência de troca térmica por distribuição e pelo ventilador também pode
levar a erros neste cálculo. Os itens de maior risco de erros são: vazão de recirculação,
vazão nos ventiladores e análise do ciclo de concentração, visto que, as condições de
umidade, bulbo e temperaturas do processo foram verificadas por na auditoria.
Tabela 2: Resultados da vazão de evaporação em m³/h
Simulação da vazão de evaporação
Vazão de evaporação
Diferença
Simulação
M1
M3
M4
M3/M1 M4/M1
Torre (Dados de projeto)
255
327
118
1,29
0,46
Torre (Dados de processo)
207
266
145
1,29
0,70
Tabela 3: Resultados da vazão de recirculação em m³/h
Simulação da vazão de recirculação
Vazão de recirculação Diferença
Simulação
Total
M4
M4/total
Torre (Dados de projeto)
18000
8435
0,47
Torre (Dados de processo)
17856
10347
0,58
Os dados apresentados nas tabelas
Tabela 2 e Tabela 3 são resultados da simulação demonstrada nas Figura 5 e Figura 6
(os círculos vermelhos representam a vazão de evaporação e o azuis são a vazão de
recirculação).
Capítulo 4 – Resultados
Figura 5: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de projeto da unidade de amônia
32
Capítulo 4 – Resultados
Figura 6: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de processo da unidade de amônia
33
Capítulo 4 – Resultados
34
Após o calculo de desempenho térmico e vazão foi feito uma auditoria local na
torre e no sistema de resfriamento.
400
80
300
60
200
40
100
20
0
Itens críticos
st
di
u
rib
o
iç ã
da
c ia
ba
de
ág
ua
qu
Count
Percent
Cum %
e
e
nt
c
re
h
e io
n
ve
fu
100
26,3
26,3
80
21,1
47,4
t
ga
r
do
ila
de
ar
p
e la
fu
70
18,4
65,8
t
la
ga
al
er
de
ar
la
pe
50
13,2
78,9
p
ta
or
en
m
a
z
va
40
10,5
89,5
s
to
Porcentagem
100
0
40
10,5
100,0
Figura 7: Pareto dos Itens que mais influenciam no desempenho da torre de
resfriamento
Durante a auditoria foram verificados os itens que mais influenciam no
desempenho da torre analisada nesse trabalho. A distribuição da água na bacia
de água quente é o item principal no desempenho da torre de resfriamento
posteriormente são os recheios conforme mostra na Figura 7. Quanto menor a
gotícula de água melhor será a eficiência da troca térmica entre o ar e a água,
isso só irá ocorrer se a água for distribuída de forma homogênea no interior das
células e com os recheios eficientes. Os recheios devem estar em perfeito
estado sem algas e rachaduras.
Os separadores de gotícula e o enchimento (Figura 8: Interior do plenum
e Figura 9: Eliminador de gotículas) de uma torre de resfriamento de água
acelera a dissipação de calor, aumentando o tempo de contato entre a água e
o ar. Esta função se realiza devido o aumento da área molhada á exposição
contínua da superfície da água ao ar e à formação de gotas e filmes na torre.
Durante a auditoria verificou-se que eles estavam deficientes fazendo com que
grande quantidade de gotículas de água provoque uma chuva permanente no
recinto. Os exaustores estavam succionando água ao invés de ar saturado,
Capítulo 4 – Resultados
35
fazendo com que diminua o rendimento da tiragem e aumente a perda por
arraste.
Figura 8: Interior do plenum
Figura 9: Eliminador de gotículas
Os ventiladores das torres de resfriamento necessitam movimentar
grandes volumes de ar, de modo econômico; seu funcionamento deve ser
isento de vibrações e pulsações, as quais podem danificar os demais
componentes mecânicos e toda a estrutura da torre. Os ventiladores existentes
estavam com uma alta vibração e com resíduo de óleo com isso é necessário
uma verificação minuciosa de cada um. Verificou-se que a folga existente entre
a pá e a parede do difusor estavam com valores aceitáveis para não existir o
retorno de ar saturado para o interior da torre e o ângulo estava conforme o
projeto.
Capítulo 4 – Resultados
36
Figura 10: Ventilador sujo com óleo
Na Figura 11 se apresenta densidades diferenciadas na parte externa do
recheio, indicando diferenças no distribuidor. As venezianas de entrada do ar
são projetadas para evitar perda de água através das superfícies de entrada do
ar e para uma eficiente admissão deste ar na torre. Durante a auditoria foram
verificados problemas nas venezianas pois ao transitar ao lado da torre tinhase a sensação de chuva.
Figura 11: Diferenças na distribuição frontal torre
A Figura 12 ilustra a bacia de água quente e válvula de controle que serve para
ajustar a vazão de água, distribuindo-a igualmente entre as células. Se essa
válvula não estiver ajustada a distribuição no interior da célula não será
homogênea como pode ser verificado na Figura 11.
Capítulo 4 – Resultados
37
Figura 12: Distribuição com bacias de água quente (torres de correntes
cruzadas) (Casetta, E., & Mansur, W. 2009)
Na Figura 13 é indicada a presença de algas e planta indicando deficiências no
tratamento
químico
ou
manutenção
de
torres totalmente paradas e
consequente proliferação de flora. Para evitar essa proliferação a água de
recirculação deverá estar dentro dos seguintes parâmetros:
pH:.......................................... 7,0 a 9,0
Dureza (CaCO3):................... 30 a 500 ppm
Alcalinidade (CaCO3):........... 500 ppm max.
Total sólidos dissolvidos:...... 1000 ppm max.
Cloretos:................................ 125 ppm max.
Sulfatos:................................. 125 ppm max.
Figura 13: Presença de águas e plantas
Uma torre de resfriamento funciona como se fosse um lavador de gases,
sendo as impurezas contidas no ar removidas pela água circulante. Deste
modo, a água de resfriamento é sujeita a contaminação por substâncias
diversas as quais podem provocar depósitos e corrosão nos equipamentos,
assim tem como:
Capítulo 4 – Resultados
•
38
gases de combustão provenientes de fornos e caldeiras que, além de
reduzirem o pH da água, podem reagir com os produtos inibidores de corrosão
e incrustação, prejudicando sua eficiência;
•
material particulado, possível causador de depósitos nos distribuidores
das torres.
Estes riscos devem ser levados em consideração, principalmente quando, com
relação à direção predominante dos ventos, a torre está a sotavendo de fontes
emissoras de contaminantes atmosféricos.
Existe a possibilidade potencial de redução do número de torres em operação,
mas antes é necessário corrigir a presença de materiais que obstruem os
distribuidores.
Após as correções das anormalidades encontradas durante a auditoria chegouse a uma redução de até 1°C a temperatura da água fria do sistema, esse
aumento do ΔT significa uma economia de energia de até 4000000 kcal/h
(energia térmica e elétrica juntamente).
Alta vibração e
amperagem em
ventiladores
específicos
Distribuição irregular de água na
bacia de água quente da torre devido
a: válvulas, manutenção
inadequadas, vazamentos laterais,
transbordos, obstruções, etc...
Fuga de água do
recheio para a
ventilação
Distribuição irregular de água no
recheio devido a: tratamento
químico, fluxo da torre, canais
preferenciais, presença de
plantas, etc...
Figura 14: Resumo da Auditoria feita na torre de resfriamento da área de
amônia
Capítulo 4 – Resultados
Figura 15: Carta Psicrométrica da Torre analisada
39
Capítulo 5 – Conclusão
40
5. CONCLUSÃO
Como já foi dito, cerca de 80% do resfriamento deve-se à evaporação, sendo o
resto atribuído à transferência de calor para o ar circundante por convecção,
portanto torres que trabalham com faixas de temperatura mais amplas,
necessitam de grandes vazões de reposição. Ela é uma instalação não
integrante do processo (a torre de resfriamento faz parte das “utilidades”) e
porque em geral fica topograficamente afastada das unidades produtivas da
fábrica, o sistema de resfriamento, muitas vezes, tem sido relegado nos
estudos. Porém, em face da importância das interações envolvidas com as
unidades, a torre e o circuito da água de resfriamento merecem uma atenção
especial na análise sistêmica de um processo industrial e, às vezes, a solução
de alguns problemas operacionais pode ser encontrada ao ampliar o foco do
seu estudo para as utilidades da fábrica. Além disso, nos últimos anos, devido
a questões ambientais e crescente limitação na captação de água para uso em
processos, o interesse das indústrias por pesquisas que melhorem o
desempenho desses sistemas como um todo, e de torres de resfriamento em
particular, tem aumentado.
A medição que envolve desempenho térmico e energético da planta industrial
precisa ser melhorada inclusive com relação às vazões e temperaturas
podendo ser o principal motivo das diferenças de cálculo iniciais. A falta de
histórico de condições de operação e vazão de ar nos ventiladores faz com que
se trabalhe em vazões atuais estimadas, foram verificados indicativos que os
ventiladores podem estar com seus rendimentos reduzidos. Também não
foram encontrados os valores reais das purgas feitas na torre além da
cotidiana.
Durante a auditoria na Torre da unidade de amônia pode verificar alguns
desinteresses por parte do setor industrial visto que a purga existente nessa
torre tem uma vazão mínima e contínua pois tem-se a necessidade do fluxo
dessa purga formar vácuo no setor de bombas da unidade para não ficar
alagado. Outro item de suma importância foi que as purgas das outras torres
eram direcionados para ela assim aumentando a contaminação interna e
perdendo o controle operacional existente.
Capítulo 5 – Conclusão
41
Com os itens verificados durante a auditoria pode-se concluir que a área de
utilidades não tem o cuidado necessário com as torres de resfriamento. Foram
no total de 5 não conformidades no interior da torre quando foram sanados fez
com que houvesse uma redução de 1°C na bacia de água fria e verificou-se
uma economia de energia de aproximadamente 4000000 kcal/h que poderá ser
utilizado em outro sistema.
Referências Bibliográficas
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