Figura 1 Representação esquemática de uma torre de resfriamento de água.

Transcrição

1 1. Processo de Umidificação 1.1 Umidificação A umidificação é uma operação inversa a da secagem. Ela pode ser usada para controlar a umidade de um ambiente, ao se promover a evaporação da água para o ar. Um uso importante desta operação é realizado no equipamento conhecido como torre de resfriamento de água (Figura 1), de onde a água sai fria, se aquece resfriando produtos da planta industrial e retorna a torre de resfriamento, fechando o ciclo. Na torre, a água quente é pulverizada e entra em contato com ar succionado por ventiladores: uma pequena parcela da água se evapora e sai junto com o ar, permitindo o resfriamento do restante da água. Para manter constante a vazão da água de resfriamento, uma vazão de água de reposição é injetada para compensar as perdas da água evaporada. Figura 1 Representação esquemática de uma torre de resfriamento de água. Ar e água são colocados em contato, de maneira que ocorra evaporação espontânea. A água é fornecida ao painel evaporativo desde sua parte superior e desce por sua superfície altamente absorvente molhando-o por completo. O ar então passa através dos canais do painel entrando em contato com a sua superfície molhada de forma turbulenta, propiciando a evaporação. O processo de evaporação então resfria o ar ao mesmo tempo em que o umidifica. 2. Torres de Resfriamento As torres de resfriamento modernas são classificadas de acordo com o processo de fornecimento de ar para a torre. Todas possuem um agrupamento de recheio com linhas horizontais para proporcionar uma área de contato entre o ar e a água. 1

2 2.1 Torres com aspiração de ar mecânica Nas torres com aspiração de ar mecânica, o ar é fornecido em qualquer um dos dois modos indicados na Figura 2a e 2b. Se o ar for aspirado para o interior da torre através de venezianas no fundo e sob a ação de um ventilador situado no topo, diz-se que a torres possui aspiração de ar induzida (2a). Se o ar for forçado por um ventilador situado no fundo e se ele descarrega no topo, diz-se que a torre possui aspiração de ar forçada (2b). 2 b 2a 2b Figura 2 - Esquema de torres com aspiração de ar mecânica. A tendência para uso de torres com aspiração de ar induzida tornou-se mais forte somente nos últimos dez anos, mas ela representa uma transição lógica, uma vez que existem vantagens em seu uso que superam todas as outras, exceto no caso de condições muito especiais. No tipo com aspiração de ar forçada o ar entra através da abertura circular do ventilador e, na torre, devemos providenciar um volume e uma altura não efetiva relativamente grande para funcionar como espaço para entrada de ar. A distribuição do ar é relativamente pobre, uma vez que o ar deve fazer um retorno de 90 quando possui elevada velocidade. Já na torre com aspiração de ar induzida, o ar pode entrar ao longo de um ou mais comprimentos inteiros da parede, de onde resulta que a altura necessária para a entrada de ar é muito pequena. Na torre com aspiração de ar forçada, o ar se descarrega a baixa velocidade através de uma abertura maior sobre o topo da torre. Nestas condições, o ar possui uma carga cinética pequena e tende a sedimentar-se no caminho da corrente de ar da entrada do ventilador. Isto significa que o ar recente que entra é contaminado pelo ar parcialmente saturado, o qual já passou através da torre, quando isto ocorre diz-se que houve recirculação o que causa uma redução na capacidade de desempenho de uma torre de resfriamento. Já na torre de resfriamento com aspiração de ar induzida, o ar se descarrega através do ventilador com uma velocidade tal que ele é transportado para cima pelas correntes de ar naturais que impedem que o ar seja sedimentado na tomada de ar. Contudo, nas torres com aspiração induzida, a queda de pressão ocorre no lado da entrada do ventilador. Numa torre com aspiração de ar induzida, quando existe uma grande velocidade de descarga, ocorre um carreamento ligeiramente maior ou uma perda de arraste das gotas de água transportadas do sistema pela corrente de ar. 2

3 2.2 Torres com circulação natural A torre atmosférica se abastece de correntes de ar atmosférico. O ar flui através das venezianas laterais em um sentido de cada vez, se deslocando com a época do ano e outras condições atmosféricas. Em lugares expostos em que a velocidade média dos ventos oscila entre 2,23 a 1,63 m/s a torre atmosférica pode tornar-se mais econômica, e, quando os custos de potencia são elevados, ela pode ser preferível mesmo com baixas velocidades do vento da ordem de 0,9 a 1,35 m/s. Uma vez que as correntes atmosféricas devem penetrar pela largura inteira da torre, as torres são construídas muito estreitas em comparação com outros tipos e devem ser muito compridas a fim de proporcionar uma igual capacidade, comparando-se com as de circulação de ar mecânico. As perdas por arraste ocorrem na parte lateral inteira e são maiores do que as perdas de outros tipos. As torres com aspiração de ar natural operam do mesmo modo que um forno com chaminé, o ar é aquecido na torre através do contato com a água quente, de modo que sua densidade diminui. A diferença entre a densidade do ar na torre e fora dela produz um escoamento natural do ar frio que entra no fundo e a rejeição do ar quente, menos denso, no topo. As torres com aspiração de ar natural devem ser altas para que ocorra suficiente empuxo e devem ser possuir secções retas grandes por causa da baixa velocidade com a qual o ar circula em comparação com a aspiração mecânica. As torres com aspiração natural consomem uma maior potência de bombeamento. Contudo, elas eliminam os custos da potência da ventilação e, em alguns lugares, podem ser mais convenientes do que as torres atmosféricas. Para as torres atmosféricas, a ênfase deve ser dada nas características do vento. Já nas torres com aspiração natural, a consideração primordial consiste nas características de temperatura do ar. Se, normalmente, o ar se eleva até uma alta temperatura durante o dia, pelo menos em relação à temperatura de água quente a torre com aspiração natural cessará de operar durante a porção quente do dia. O custo inicial e as cargas fixas destas torres são bastante elevados, e parece que elas estão caindo em desuso. Figura 3 - Esquema de torres de resfriamento com aspiração natural O tanque de nebulização está intimamente relacionado com a torre de 3a 3b Figura 3 - Esquema de torres de resfriamento com aspiração natural. O tanque de nebulização está intimamente relacionado com a torre de resfriamento com circulação natural, o qual consiste de diversos bocais de spray orientados para cima (Figura 3b), os quais produzem a nebulização da água para o ar sem produzir corrente de ar. Elas não operam com uma fonte ordenada de 3

4 escoamento de ar e, portanto, não são capazes de produzir água com temperaturas tão próximas à temperatura de bulbo úmido quanto às obtidas por torres de resfriamento. O tanque de nebulização pode fornecer a solução mais econômica do resfriamento da água quando a água deve ser resfriada num intervalo pequeno e sem que seja necessário que ela atinja uma temperatura próxima de bulbo úmido. As perdas por arraste nos tanques de nebulização são relativamente elevadas. As torres com nebulização também são largamente empregadas. Elas se assemelham com as torres atmosféricas, porém elas utilizam pouco ou nenhum recheio. 3. Partes internas de uma torre de resfriamento Uma torre de resfriamento é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do recheio da torre, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água-ar. Se a água passa através de um bocal capaz de produzir pequenas gotas, uma grande área de contato entre o ar e a água torna-se disponível. Uma vez que a interface entre o ar e a água também é a superfície de transmissão de calor, o uso de um bocal possibilita o atingir um desempenho considerável por metro cúbico de contato no aparelho. Este é o principio do tanque de nebulização. Então a função do recheio da torre é fazer aumentar a área disponível na torre ou por meio do espalhamento do líquido através de uma área maior ou fazendo atrasar o tempo de queda da área da gotícula através do aparelho. Nas torres de difusão comuns, tais como as usadas em absorventes químicos, o recheio é feito por meio de anéis de Raschig, selas de Berl, ou outros dispositivos que são muito compactos e fornecem uma área sobre a qual o líquido se espalha produzindo a exposição de uma película maior. Trata-se da área pelicular. Na torre de resfriamento por causa das exigências de um grande volume de ar e pequena queda de pressão permitida, costumamos usar lascas de madeira com seção reta triangular ou quadradas espaçadas de tal modo a deixar a torre substancialmente desobstruída. O agrupamento de madeira, ou recheio de uma tem por objetivo interromper a queda do líquido. Embora o espaço livre entre as lascas adjacentes de recheio seja relativamente grande, a projeção horizontal do recheio não permite que as gotas de líquido caiam através da torre sem deixar de incidir repetidamente nas lascas inferiores sucessivas. Alguma parte do líquido que atinge o topo da lasca se subdivide em gotículas, porém uma parte maior flui em torno delas e dá origem a um escoamento turbulento no fundo de modo a formar automaticamente novas gotas e criar uma nova área de gota. A área nas partes laterais do recheio é análoga área da película em absorvedores com recheio. Mais recentemente existe a tendência de utilizarem-se pequenas lascas retangulares. Elas são consideravelmente mais baratas para fabricar e instalar do que as de seção reta triangular e produzem quedas de pressão menores. a) Recheio triangular b) Recheio retangular Figura 4 - Esquemas de tipos comuns de agrupamentos de recheio para torres de resfriamento. 4

5 4. Funcionamento de uma torre de resfriamento Na construção de torres de resfriamento costuma-se usar gotículas de um tamanho tal que se pode garantir que as perdas de arraste não sejam maiores do que 1,5% da água total que circula na torre. Com o gasto de uma potência de ventilação superior, esta perda pode ser reduzida para 0,10%. Numa típica torre de resfriamento a água entra aquecida e o ar à temperatura ambiente. Vamos nos ater nesta análise às torres que operam em contracorrente, água descendo e ar subindo. À medida que desce, a água se resfria; o ar, à medida em que sobe, se umidifica e aquece. Em algum ponto da torre a água líquida e o ar igualam suas temperaturas: este é o ponto de estrangulamento ( pinch point ) da torre; a partir deste ponto as temperaturas do ar e da água ficam muito próximas, ou seja, é o ponto em que a torre pára de operar. Numa torre de resfriamento, a principal contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação de parte dessa água que recircula na torre. A evaporação da água - transferência de massa da fase líquida (água) para fase gasosa (ar) - causa abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. Isso ocorre porque a água para evaporar precisa de calor latente, e esse calor é retirado da própria água que escoa pela torre de resfriamento. Vale lembrar que a transferência de massa da água para o ar ocorre porque as duas fases em contato tendem a entrar em equilíbrio. A evaporação de parte da água é responsável por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre ar e a água é responsável pelos outros 20% do resfriamento. Identifica-se então a força motriz do processo de transferência de massa, isto é, a diferença entre a umidade do ar a uma condição ideal de saturação à temperatura da água e a umidade do ar na condição em que ele se encontra no fluxo principal na torre. 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. O aumento das vazões de ar e água causa um aumento na turbulência, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vazões de água e o 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 ou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo tipo de recheio empregado. A torre não pode ser resfriada abaixo da temperatura de bulbo úmido. A força motriz para a evaporação da água é aproximadamente a pressão de vapor da água menos a pressão de vapor que ela teria a temperatura de bulbo úmido. A água pode ser resfriada somente até a temperatura de bulbo úmido e, em prática é resfriada até cerca de 3 K ou mais abaixo desta. Apenas uma pequena quantidade de água é perdida por evaporação no resfriamento de água. Uma vez que o calor latente da água é cerca de 2300 kj/kg, uma mudança típica de cerca de 8 K na temperatura da água corresponde a uma perda por evaporação de 1,5%. Assim, o fluxo total de água é considerado constante nos cálculos do tamanho da torre. Em umidificação e desumidificação, o contato íntimo entre a fase gasosa e a fase liquida é necessária para uma maior transferência de massa e de calor. A resistência da fase gasosa controla a razão da transferência. Torres empacotadas são utilizadas para proporcionar uma maior área de contato e para promover turbulência na fase gasosa. 5

6 4.1 Bulbo seco e Bulbo úmido do ar A temperatura de bulbo seco do ar é a própria temperatura do gás (o bulbo do termômetro usado na medição do ar seco). A temperatura de bulbo úmido é medida com o bulbo do termômetro envolto com uma gaze umidificada com água. Por definição, é a temperatura atingida, em regime permanente (não de equilíbrio termodinâmico), por uma pequena porção da água, em contato com uma corrente contínua de ar, em condições adiabáticas (só há troca térmica entre o ar e essa massa de água), desprezando os efeitos de radiação nessa troca. A temperatura de bulbo úmido é menor ou no máximo igual em relação à temperatura de bulbo seco. Isso ocorre porque, exposta a uma corrente de ar não saturado (umidade relativa menor que 100%), parte da água presente na gaze evapora e com isso, a temperatura abaixa. Para entender esse fenômeno de resfriamento devido a evaporação, pode-se mencionar dois exemplos cotidianos. Quando você sai da piscina tem uma sensação repentina de frio, pois vaporiza parte da água impregnada na sua pele. Quando você toma água guardada numa moringa de barro, ela é mais fresca, pois como o barro é poroso, parte da água armazenada exsuda (transpira) pelas paredes (a superfície externa da moringa parece suada ), evapora no ar e com isso, resfria a água da moringa. 4.2 Perfil de temperatura Os perfis de temperatura e concentração em termos de umidade são mostrados na interface água-líquido (Figura 5). O vapor de água difunde-se da interface para a fase gasosa com uma força motriz na fase gasosa de (H I H G ) kg H 2 O/kg de ar seco. Não há força motriz para a transferência de massa na fase líquida, já que a água é um líquido puro. A temperatura é (T L T I ) na fase líquida e (T I T G ) na fase gasosa. Calor sensível flui da massa líquida para a interface no líquido. Calor sensível também flui da interface para a fase gasosa. Sendo, T I a temperatura na interface água-ar, T L a temperatura da água, T G a temperatura do ar, Hi a umidade do ar na interface e HG a umidade do ar na fase gasosa. Calor latente também parte da interface no vapor de água, difundindo-se para a fase gasosa. As condições da Figura 5 ocorrem no topo da torre de resfriamento. Na parte mais baixa da torre de resfriamento a temperatura da água é mais alta do que a temperatura de bulbo úmido do ar, mas deve ser mais baixa que a temperatura de bulbo seco. Figura 5 - Perfis de temperatura e concentração no topo da torre. 6