1. RESUMO 2. INTRODUÇÃO

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1 1. RESUMO Em processos industriais normalmente há a necessidade de retirar o calor gerado pelas máquinas térmicas utilizando a água como o fluido de resfriamento, esta água seria proveniente do resfriamento de instalações de refrigeração, condensadores de usinas de geração de potência, trocadores de calor entre outros. Em virtude da sua escassez, objetivos econômicos e principalmente com a responsabilidade com o meio ambiente, as torres de resfriamento são os equipamentos indispensáveis para este processo, pois promovem a reutilização da água e seu principal propósito e a diminuição da temperatura da água com um baixo custo. Este trabalho teve como objetivo avaliar o calor cedido pela água entre duas torres de resfriamento uma de tiragem mecânica forçada e outra de tiragem mecânica induzida, em uma indústria de processamento de cloro. A análise dos resultados coletados durante os quatorze dias, associados com cálculos matemáticos, concluiuse que a torre de tiragem mecânica forçada teve um pequeno aumento em relação a de tiragem mecânica induzida, mas não significativo a ponto de ser considerada que obteve um melhor desempenho, pois ambas as torres tiveram resultados satisfatórios na avaliação deste trabalho, pois não interferiram no processo operacional da indústria. 2. INTRODUÇÃO As torres de resfriamento são utilizadas para resfriar a água procedente dos processos industriais. Esse resfriamento ocorre por meio do contato entre a água quente e o ar ambiente insuflado para dentro da torre. A água é resfriada devido à transferência de massa e de calor latente e sensível para o ar. Segundo Dantas (1988), esta energia retirada corresponde a 9,72 kcal por molécula grama de água (calor latente de vaporização), significando a 75 a 90% do calor total perdido. O excedente do calor cedido (calor sensível) da água para o ar deve-se a diferença entre a temperatura da água e a temperatura de bulbo úmido do ar. Já Cortinovis & Song (2005), afirmam que o calor da corrente de água, transferido para a corrente de ar, eleva a temperatura do ar aumentando a sua umidade relativa, podendo está a chegar, no caso ideal, a 100%. Esse ar é despejado para a atmosfera sendo a força motriz desse fenômeno a diferença entre a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente e a

2 temperatura da água. E, também, que a evaporação da água, ou seja, a transferência de massa da fase líquida (água) para a fase gasosa (ar) provoca a diminuição da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. Isso acontece porque a água para evaporar necessita de calor latente, e esse calor é retirado da própria água que escoa ao longo do enchimento pela torre. As perdas por evaporação dependem da carga térmica, da vazão da água em circulação, da diferença entre as temperaturas da água na entrada e na saída da torre, das condições meteorológicas, da altitude do local em relação ao nível do mar e da aproximação ao bulbo úmido, conhecido como approach (temperatura de saída da água menos a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente). Segundo Flynn (2009), a taxa de resfriamento por evaporação é alta (por volta de 80%) sendo atribuída ao fenômeno difusivo. A diferença de temperatura entre o ar e a água é responsável pelos outros 20 % do resfriamento. SAPUNARU et al. (2014) reafirmam que em uma torre a principal contribuição para o resfriamento da água é fornecida pela evaporação. A evaporação é a transferência de massa da fase líquida (água) para a fase gasosa (ar), provocando a diminuição da temperatura da água que passa pela torre de resfriamento. Este processo acontece porque a água, para evaporar, precisa perder calor latente, que é retirado da água que percola pela torre. Este evento ocorre quando a água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de enchimentos em contracorrente ou corrente cruzada com uma corrente de ar frio (em geral à temperatura ambiente). Nesta relação direta das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, sendo o principal fenômeno que gera seu resfriamento. A evaporação de parte da água é responsável por cerca de 80% do resfriamento, sendo os 20% restantes relativo à diferença de temperatura entre o ar e a água. 3. OBJETIVOS Este trabalho teve como objetivo realizar uma avaliação do calor cedido pela água entre duas torres de resfriamento uma de tiragem mecânica forçada e outra de tiragem mecânica induzida, mantendo sempre as mesmas áreas nas coletas de dados amostrais com os mesmos intervalos de tempo em uma indústria de processamento de cloro.

3 4. METODOLOGIA O experimento foi realizado durante 14 dias nas duas torres de resfriamento, série 32 de médio porte, ambas acopladas ao pátio da indústria em um sistema em série formato stand-by, conforme Figura 1. Figura 1 Torres de resfriamento: Tiragem mecânica induzida (A); Tiragem forçada (B) Fonte: Foto tirada nas dependências da Indústria, Para medir as temperaturas da água quente de entrada que variava de 32,5 a 35,7ºC e a água fria de saída que variava entre 27,4 a 32,4ºC de ambas as torres foi utilizado um termômetro laser digital infravermelho marca Dugold, modelo DG 380, que trabalha na faixa de -50ºC a 380ºC. Foram realizadas quatro medições diárias e com o mesmo tempo de medição que se mantinha em meia hora duas no período da manhã e duas no período da tarde na entrada e saída das torres, durante quatorze dias de estudo. Com o objetivo de sempre fazer as médias das temperaturas no mesmo ponto e com o mesmo tempo e diminuir o erro experimental, foram fixadas fitas na cor amarela próximas as entradas e saídas das tubulações de água quente e fria das torres. As Figuras 2 e 3 mostram as medições das temperaturas da água quente de entrada e as temperaturas da água fria de saída da torre de tiragem mecânica induzida.

4 Na Figura 2 mostra as coletas das amostragens de dados experimentais das temperaturas de entrada de água quente na parte superior da torre de tiragem mecânica induzida. Figura 2- Entrada de água quente na torre de tiragem mecânica induzida. Fonte: Foto tirada nas dependências da Indústria, Já na Figura 3 mostra as coletas de dados experimentais das temperaturas de saída de água fria na parte inferior da torre de tiragem mecânica induzida. Observase em ambas as medições em que elas eram realizadas depois da marcação da fita amarela sempre tentando manter as mesmas áreas de amostragens experimentais e sempre mantendo o mesmo tempo com o relógio. Figura 3- Saída de água fria na torre de tiragem mecânica induzida. Fonte: Foto tirada nas dependências da Indústria, 2016.

5 Conforme mostra a Figura 4 as aferições das temperaturas da água quente de entrada na torre de tiragem mecânica forçada foram realizadas na parte superior da torre depois da fita amarela no mesmo intervalo de tempo e na mesma área amostral. Figura 4- Entrada de água quente na torre de tiragem mecânica forçada. Fonte: Foto tirada nas dependências da Indústria, Na Figura 5 as aferições das temperaturas da água fria de saída na torre de tiragem mecânica forçada foram realizadas na parte inferior da torre depois da fita amarela no mesmo intervalo de tempo e na mesma área amostral conforme demonstrado em todos os experimentos. Figura 5- Saída de água fria na torre de tiragem mecânica forçada. Fonte: Foto tirada nas dependências da Indústria, 2016.

6 5. DESENVOLVIMENTO As variações do calor experimental cedido pela água devem-se tão somente as alterações verificadas no range da água quente de entrada e água fria de saída, uma vez que não foi possível a medição das vazões experimental da entrada e saída de água das torres. Para se obter os resultados da Tabela 1, foi empregada a fundamentação teórica, onde a equação (1) indica o calor cedido pela água por meio da convecção de calor, que acontece quando a transferência de energia no interior de um fluido é virtude dos efeitos associados de condução e do movimento macroscópico do fluido. Em geral a energia que se transfere é a energia sensível ou energia interna do fluido (INCROPERA e WITT, 1992). Em que: q água = w c p (T q T f ) (1) q água w c p T q T f É o calor cedido pela água [kcal/h]; Indica as vazões mássica da água de entrada e saída [Kg/h]; Representa o calor específico da água [kcal/kg C]; É a temperatura da água quente que entra na torre [ C]; É a temperatura da água fria que sai da torre [ C]. A vazão volumétrica de água na entrada (água quente) e de saída (água fria) mostradas na equação (2), é um dos recursos mais importantes em uma torre de resfriamento por estarem ligados ao meio ambiente, ao consumo de energia e ao desempenho térmico. Quando no processo se controla os ajustes de vazões de entrada e saída de água acontecerá muitos benefícios, pois possibilitará um menor consumo de água e energia além dos impactos ambientais (MARQUES et al., 2009). Onde: w = Q vol ρ (2) w A vazão mássica da água na entrada e na saída da torre [kg/h];

7 Q vol ρ A vazão volumétrica [m³/h]; A massa específica da água [kg/m³]. Para se achar o calor ideal de projeto cedido pela água nas torres de tiragem mecânica forçada e da tiragem induzida, foi usada a vazão de projeto de entrada e saída de água de 60 m³/h. Foi feita a conversão para vazão volumétrica, conforme equação 2, onde foi multiplicado a vazão da água de 60 m³/h pela massa especifica da água de 1000 kg/m³ e chegou-se a vazão volumétrica da água de kg/h. Para calcular o calor cedido pela água, conforme equação 1, foi multiplicado a vazão volumétrica pelo calor específico que foi adotado constante de 1 kcal/kg C, multiplicado pelas diferenças de temperatura da água quente de entrada 34 C menos a água fria de saída 29 C, ambas temperaturas de projeto e assim foi conseguido o calor cedido pela água de projeto de kcal/h, conforme tabela1. Tabela 1- Calor cedido pela água nas torres de tiragem mecânica forçada e na induzida.

8 6. RESULTADOS Os resultados adquiridos durante os quatorze dias de observação do funcionamento das duas torres estudadas, estão dispostos nas Figuras 6 e 7. A Figura 6 mostra o gráfico do calor cedido pela água na torre de tiragem mecânica forçada. Projeto induzida. Figura 6 - Gráfico do calor cedido pela água da torre de tiragem mecânica forçada. A Figura 7, apresenta os resultados obtidos na torre de tiragem mecânica Projeto Figura 7 - Gráfico do calor cedido pela água da torre de tiragem induzida.

9 No dia 1 apresentou o menor resultado do calor cedido pela água na torre de tiragem mecânica forçada com resultado de kcal/h e range de 2,5 C, enquanto que na torre de tiragem induzida foi de kcal/h e range de 3,3 C, ambas muito abaixo da temperatura de projeto ( kcal/h). No 2 dia houve uma inversão, pois a forçada apresentou kcal/h e range de 3 C, já na induzida foi de kcal/h, range de 2,5 C, sendo o menor resultado da torre induzida do estudo. O terceiro dia apresentou a menor diferença de temperatura do estudo entre as torres de apenas 4500 kcal/h. No dia 4, mostrou na forçada range de 2,9 C, enquanto que na induzida foi de 3,8 C muito próximo da temperatura ideal (4 C). O quinto dia do experimento foi o segundo em que as médias das temperaturas estiveram mais baixas com 6000 kcal/h. Nos dias 8 e 9, foram onde as médias das temperaturas das torres ultrapassaram a média de projeto, onde a mecânica forçada apresentou resultados de kcal/h no oitavo dia e de kcal/h no nono dia e a torre induzida com resultados de kcal/h e kcal/h respectivamente. A maior diferença de temperatura entre as torres ocorreu no dia 6 com kcal/h, apresentando range de 4,3 C na forçada e de 2,6 C na induzida, com uma diferença entre as torres de 1,7 C, sendo a maior de todo experimento. No sétimo, décimo e décimo primeiro dia houve como média de resultados da temperatura uma proximidade de valores, sendo kcal/h no dia 10 e de kcal/h nos dias 7 e 11. O dia 12 apresentou a segunda maior diferença de range entre as torres estudas, mostrando 4,8 C na mecânica forçada e de 3,7 C na induzida, com uma diferença de temperatura de 1,1 C. No dia 13, os resultados mostraram kcal/h na forçada e de kcal/h na mecânica induzida, esta mostrando range próximo do ideal de 3,9 C. Já no dia14 foi o único em que uma das torres apresentou o range ideal de 4 C, que foi verificado na mecânica induzida. As análises dos resultados mostraram que a média dos quatorze dias do experimento apresentou como resultado da temperatura de água quente que entra na torre de tiragem mecânica forçada foi de 33,8 C e de 33,9 C na torre de tiragem induzida. Já o resultado médio da temperatura de água fria que sai da torre mostrou na mecânica forçada 29,9 C e na induzida 30,2 C. No somatório da média do calor cedido pela água (qágua), a torre mecânica forçada apresentou com resultado kcal/h, enquanto que a induzida foi de kcal/h, uma diferença de 8679kcal/h entre as torres.

10 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste trabalho concluímos que ambas as torres demonstram perdas de carga térmica parecidas devido possuírem o mesmo tipo de recheio, tamanho, bem como, as mesmas condições climáticas e vazões de entrada e saída com semelhantes temperaturas de operação, avaliou-se o comportamento de duas torres de resfriamento em relação ao calor cedido pela água. Após os quatorze dias de coleta de dados realizados com o mesmo tempo de amostragem e mesma área, gerando médias de temperaturas de entrada e saída e utilizando equações matemáticas, obteve-se a validação dos resultados que apesar da torre de tiragem mecânica forçada obter uma melhor performance que a torre de tiragem mecânica induzida, não foi um resultado significativo para afirmarmos que operou melhor, pois em virtude da elevada carga térmica de projeto esta diferença se tornou desprezível nas variações das temperaturas da água de resfriamento de entrada e saída das torres. 8. FONTES CONSULTADAS 1- CORTINOVIS, G.F.; SONG, T.W. Funcionamento de uma Torre de Resfriamento de Água. EPUSP. Revista de Graduação de Engenharia Química. Ano VI, n. 14, DANTAS, E.V. Tratamento de água de Refrigeração e Caldeira. José Olympio Editora S.A FLYNN, D.J. The Nalco Water Handbook, Nalco Company, 3ª Edição, INCROPERA, F.P.; WITT, D.P. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, MARQUES, C.A.X.; FONTES, C.H.; EMBIRUÇU, M.; KALID, R.A. Efficiency control in a commercial counter flow wet cooling tower. Energy Conversion and Management. v. 50, p SAPUNARU, R.A.; SILVA, O.C.; LIMA, M.T.S.L.; SOUZA, M.C.; FLORES, T.S.; CRUZ, N.G.S.; DIAMANTINO, H.D.; BARROSO, L.A.; ROCHA, B.A.; SOUZA, R.L. M.; RAMOS, P.C.; MACEDO, M.H.M. As Influências das Torres Hiperbólicas nas Usinas Termoelétricas: Um Foco Termonuclear. Revista do Centro de Ciências Naturais e Exatas- Universidade Federal dos Vales de Jequitinhonha e Mucuri- MG, v. 37 Ed. Especial. p