TORRES DE ARREFECIMENTO

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1 TORRES DE ARREFECIMENTO ) DEFINIÇÃO Torre de arrefecimento é um trocador de calor de contacto direto que se destina a reaproveitar a água que é aquecida em um processo. No caso de um sistema de refrigeração por compressão de vapor ela reaproveita a água que é aquecida no processo de dissipação de calor do refrigerante no condensador. Uma representação simplificada de um sistema de resfriamento usando uma torre de arrefecimento está mostrada na figura abaixo. Figura : Sistema de resfriamento com torre de arrefecimento A água quente vinda do trocador de calor entra na torre onde é resfriada pelo ar ambiente que entra pelas venezianas inferiores da torre succionado pelo ventilador. A água arrefecida é depositada na parte inferior da torre de onde é novamente bombeada para o trocador de calor. Uma bomba repõe água para compensar as perdas de água que ocorrem no processo de resfriamento. Figura 2: Esquema simplificado da torre A figura 2 mostra de forma simplificada o interior de uma torre de arrefecimento. Água aquecida é pulverizada na parte superior da torre e escoa em contracorrente com o ar que é insuflado por um ventilador para o interior da torre. A água dissipa calor para o ar que tem sua temperatura de bulbo seco e umidade absoluta aumentada sendo descarregado no meio ambiente. A água no processo de troca de calor com ar tem sua temperatura reduzida até uma temperatura próxima a de bulbo úmido inicial do ar e escoa para a parte inferior da torre de onde será recirculada. A maior parte do calor disssipado da água para o ar se deve a sua evaporação no processo. Assim admitamos que as vazões de ar e água sejam iguais e que o ar entra na torre com temperatura de bulbo seco de 25.5 oc, umidade

2 relativa de 50% e que a água deverá ser resfriada de 29.4 oc a 2.oC (8.8oC). Neste caso a umidade absoluta e a entalpia inicial do ar valem 0.28 g vapor/ kg ar seco e kj/kg e um balanço de energia água-ar mostra que a entalpia final do ar vale kj/kg o que corresponde a um acréscimo de entalpia do ar de kj/ kg ar seco que representa o calor que o ar recebeu da água. Por outro lado admitindo que a umidade relativa do ar na saída da torre é 00% conclui-se que sua umidade absoluta vale g vapor/ kg ar seco. Portanto o acréscimo de 3 g vapor/kg ar seco na umidade absoluta do ar ( ) se deveu à evaporação da água. Admitindo que o calor latente de vaporização da água vale 2400 kj/kg o calor perdido pela água por evaporação é 3.2 kj/kg ( 0.03 x 2400 ) que corresponde portanto a cerca de 92% do calor total recebido pelo ar ( 3.2 / 33.85). É fácil mostrar que a variação de temperatura do ar no processo foi de aproximadamente 3 oc e que portanto o decréscimo de 8.8oC da água se deveu pràticamente à sua própria evaporação. 2) Classificação das torres quanto à tiragem As torres podem ser classificadas em torres com tiragem natural e torres com tiragem mecânica. As torres com tiragem natural são aquelas nas quais a diferença entre as pressões externa e interna para permitir a circulação do ar na torre é provocada por causas naturais como a velocidade do ar ou a diferença entre as massas especifica do ar externo e interno. Nas torres de tiragem mecânica o escoamento do ar no interior da torre é garantido por um ventilador. A torre atmosférica mostrada na figura 3 abaixo é de tiragem natural. A velocidade da água que sai dos pulverizadores cria uma depressão no interior da torre que provoca a entrada do ar. Apesar de barata não é usada por ser muito dependente das condições externas Figura 3: Torre atmosférica A torre hiperbólica mostrada esquemàticamente na figura 4 abaixo é também de tiragem natural e o fluxo de ar de fora para dentro da torre ocorre devido a diferença entre as massas específica do ar externo e interno. São usadas para grandes vazões de água como, por exemplo, em usinas termoelétricas para atender a vazão da água de arrefecimento do condensador. Essas torres de grande tamanho podendo atingir altura de 50 m e seu nome decorre de sua forma geométrica. Figura 4: Torre hiperbólica 2

3 As torres com tiragem mecânica usam um ventilador para provocar o escoamento do ar no interior da torre e neste caso as torres podem ser de tiragem forçada ou de tiragem induzida. Nas torres de tiragem forçada o ventilador está montado na parte inferior da torre e succiona diretamente o ar ambiente. A figura 5 abaixo mostra uma torre com tiragem forçada. Figura 5: Torre com tiragem forçada Estas torres se caracterizam por apresentar velocidade de entrada do ar na torre elevada e baixa velocidade de saída sendo, pois suscetíveis à recirculação, isto é, mistura do ar que sai com o ar que entra o que influencia no desempenho da torre. Usa normalmente ventiladores do tipo centrífugo que consome mais energia que o axial anelar ( hélice ) mas que pode operar com pressões de descarga mais elevadas associadas a uma rede de dutos quando se deseja montar o ventilador afastado da torre para evitar a recirculação. Nas torres com tiragem induzida o ventilador está montado na parte superior da torre como mostra a figura 6 abaixo. Figura 6: Torre com tiragem induzida A velocidade de saída do ar é 3 a 4 vezes maior que a sua velocidade de entrada o que não provoca a recirculação. É o tipo de torre mais usado em pequenas ou grandes capacidades. 3) Componentes básicos da torre de arrefecimento Uma torre de arrefecimento é constituída pelos seguintes componentes básicos: carcaça, separador de gotas, sistema de distribuição, enchimento e bacia. Carcaça Pode ser fabricado em fibra de vidro, concreto, madeira e eventualmente aço e no seu interior são montados os outros componentes da torre. Separador de gotas O separador de gotas tem por finalidade diminuir a quantidade de água perdida sob forma de gotas de pequeno diâmetro que são arrastadas pelo ar que circula através da torre no processo de resfriamento e que podem ser fonte de incomodo para edificações vizinhas e fator de risco para instalações especiais como subestações existentes nas proximidades. Os separadores de gotas removem as gotas de água misturadas na corrente de ar como resultado da força centrifuga gerada nas bruscas mudanças de direção sofridas pela corrente de ar ao circular por superfícies corrugadas. As gotas de 3

4 água aderem à superfície e retornam para o interior da torre. A retenção de gotas pode ser de até 99.7% em condição padrão segundo um fabricante. A figura 7 abaixo mostra um tipo de superfície usada nos separadores de gotas. Figura 7: Separador de gotas Sistema de distribuição É constituído pelos componentes que distribuem a água aquecida dentro da torre nas regiões mais adequadas ao contacto com o ar. O sistema inclui os pulverizadores que devem ser alimentados com pressão de água adequada para garantir a pulverização da água visando aumentar a superfície de troca de calor e massa. Os pulverizadores criam uma resistência hidráulica à passagem da água que deve ser computada no cálculo da altura manométrica da bomba de água de condensação. Enchimento É o componente que mais influencia no desempenho térmico da torre. O enchimento (fill) tem por finalidades aumentar o tempo de permanência da água no interior da torre e aumentar a superfície de troca de calor e massa. Assim quanto maior aquele dois fatores, maior a capacidade térmica da torre. A capacidade térmica é influenciada pelos seguintes parâmetros: área de troca térmica por unidade de volume, fluxos de ar e água laminar ou turbulento, perda de pressão estática do ar, distribuição uniforme do ar e água e resistência ao entupimento por sedimentação e corrosão em suas passagens provocadas por substâncias sólidas suspensas ou dissolvidas na água. Na prática quanto maior a capacidade de troca térmica de um enchimento maior sua tendência à obstrução. Existem dois tipos de enchimento: tipo impacto e tipo filme. O enchimento tipo impacto é constituído por travessas de madeira ou barras de metal ou plástico montadas de forma não alinhada perpendicularmente ao percurso descrito pela água. Um tipo de enchimento de impacto está mostrado na figura 8 abaixo. Ele apresenta como vantagem uma menor tendência ao entupimento e oferece perda de carga pequena a passagem do ar. É, no entanto sensível a fixação inadequada das barras de impacto que devem ser montadas sem inclinação para que não se formem canais de água em diferentes trajetos prejudicando o funcionamento da torre. Este tipo de enchimento origina também a formação de canais se a torre for montada desnivelada. Figura 8: Enchimento de impacto 4

5 O enchimento tipo filme consiste de canais onde se formam películas de água sobre as quais circula o ar. Um enchimento tipo filme está mostrado na figura 9 na página seguinte. Este tipo de enchimento oferece um efeito de resfriamento maior ocupando um espaço menor e seu projeto deve garantir um fluxo uniforme de ar em toda a superfície de contacto. Seu uso deve ser evitado quando a água apresentar grande quantidade de impurezas. drop in an aerodynamic, durable design. Figura 9: Enchimento tipo filme Bacia A bacia da torre é a parte inferior da torre onde é armazenada a água resfriada. Por ser o local onde são depositadas as impurezas removidas do ar deve apresentar facilidade de limpeza e drenagem e ser protegida por telas para evitar a entrada de impurezas e pássaros. A profundidade da bacia varia entre 34 cm e 60 cm e deve ser suficientemente profunda de modo a manter uma reserva de água no caso de interrupção da água de reposição A bacia é alimentada com água de reposição diretamente da caixa d água por meio de uma bóia para manter constante o nível da água e estabilizar a temperatura da água numa situação de grande variação de carga. Ventiladores Os ventiladores usados na torre podem ser axiais e centrífugos. Os ventiladores são fontes potenciais de ruído o que pode ser atenuado usando-se motores elétricos de seis pólos particularmente em torres que atendem instalações de ar condicionado em hospitais, hotéis, etc. que funcionam noite e dia sem interrupção. O ventilador pode ser controlado por um termostato cujo sensor está localizado na bacia da torre que desliga o ventilador quando a temperatura da água diminui. Um controle mais efetivo do ventilador é o uso de um conversor de freqüência também comandado por um termostato com o sensor na bacia da torre. Decréscimos na temperatura da água são acompanhados por decréscimos na rotação do motor ocasionando diminuição no consumo de energia e diminuição nas perdas de água por arrastamento. 4) Materiais de fabricação Os materiais para a fabricação dos componentes das torres de arrefecimento vêm evoluindo ao longo do tempo. Assim a madeira que era usada para a fabricação da carcaça e do enchimento foi substituída pelo plástico já se podendo encontrar torres totalmente fabricadas com esse material. Modernamente a estrutura pode ser fabricada com poliéster reforçado com fibra de vidro substituindo o aço carbono com larga vantagem por afastar definitivamente o problema da corrosão. 5

6 5) Classificação das torres quanto a direção do escoamento do ar. Neste caso as torres podem ser classificadas em torres em contra corrente ou torres com escoamento cruzado. A figura 0 mostra os diferentes tipos de torre. Figura 0: Torres com escoamento em contracorrente e cruzado Na figura 0 as torres mostradas na primeira linha são de tiragem induzida com escoamento do ar em contracorrente. As torres mostradas na segunda linha da mesma figura são torres de tiragem induzida com fluxo cruzado. A maior parte das torres usadas em ar condicionado é do tipo contracorrente. 6) Parâmetros mais usuais de desempenho 6.a) Vazão de água da torre A vazão de água da torre é a mesma que circula no trocador de calor que ela atende e, portanto no caso de um sistema de refrigeração por compressão de vapor é a água que circula no condensador (água de condensação). A vazão de água ( V ) em m3/h pode ser calculada pela expressão: V m3 h = Q watt 6 t 2 t ( ) onde Q é a carga térmica do trocador de calor, t2 e t são respectivamente as temperaturas de saída e entrada da água no condensador (diferencial térmico do trocador). No caso do sistema de refrigeração por compressão de vapor Q é o calor dissipado no condensador ( Q CD ). Para sistemas de ar condicionado com condensação a água admite-se que Q CD é 25% maior que a capacidade frigorífica ( Q EV ) ou seja: Q CD =.25 Q EV 6

7 Exemplo : Calcular a vazão de água de condensação em um sistema de refrigeração com capacidade frigorífica de 3530 W ( TR ) sabendo que o diferencial térmico do condensador vale 5.5oC. Solução Calor dissipado no condensador Q CD =.25 x 3530 = 442 W Vazão de água V = 442 = m3/h O valor acima calculado representa a vazão de água por tonelada de refrigeração para um diferencial térmico de 5.5oC. Na prática o valor adotado é de m3/ h. TR. 6.b) Diferencial térmico da torre (range) É a diferença entre a temperatura de entrada e de saída da torre e que, portanto é o mesmo diferencial térmico do trocador de calor que a torre atende. No caso do ar condicionado o diferencial térmico adotado é de 5.5oC. Como pode ser observado da fórmula ( ) acima existe um grande número de combinações de vazões e diferenciais térmicos para uma mesma dissipação de calor. Entretanto o diferencial térmico varia dentro de uma pequena faixa que é limitada por considerações hidráulicas e pelos níveis de temperatura aceitáveis para o processo térmico. Assim, por exemplo, o diferencial térmico de torre usado em ar condicionado é 5.5oC. Figura : Influência do diferencial térmico e da vazão no tamanho da torre A figura acima mostra que o tamanho da torre diminui com o decréscimo da vazão e do e o aumento do diferencial térmico para uma mesma temperatura de bulbo úmido, mesma temperatura de entrada da água e mesmo calor dissipado. 6c) Aproximação da torre (approach) Aproximação (AP) é a diferença entre a temperatura de saída da torre (TST) e a temperatura de bulbo úmido (TBU) onde ela opera isto é: AP = TST - TBU (2) 7

8 A temperatura mínima de saída da água da torre é a temperatura de bulbo úmido no local e, portanto quanto menor a aproximação mais eficiente é a torre. Por outro lado a aproximação está diretamente relacionada com o tamanho da torre, isto é, quanto menor a aproximação maior o seu tamanho. A figura 2 abaixo relaciona a aproximação com o tamanho da torre para uma mesma carga térmica, vazão de água e temperatura de bulbo úmido. Figura 2 : Influência da aproximação no tamanho da torre A figura 2 indica que a torre de referência tem aproximação de 5oF que corresponde a um fator de tamanho de torre unitário. Assim a torre básica dobraria seu tamanho, com aumento do seu custo, se a aproximação fosse 7oF. Se a aproximação fosse de 25oF a torre de referência poderia ser 60% menor com a conseqüente diminuição de seu custo. Por outro lado a figura 2 mostra que a curva é assintótica ao eixo das ordenadas com o decréscimo da aproximação o que leva os fabricantes de torre a não garantirem aproximação menor que 2.7C ( 5oF ). 6.d) Relação entre a vazão mássica de água (L) e a vazão mássica de ar (G) A vazão L de água é definida pelo processo e logo conhecida. Assim conhecendo-se a relação L/G pode-se calcular a vazão em massa de ar. Portanto quanto maior a relação L/G menor a vazão de ar G e, portanto menor a potência consumida pelo ventilador da torre e menor a quantidade de água perdida por arrastamento. 6.e) Característica da torre O processo de transferência de calor e massa em uma torre de arrefecimento foi estudado por Merkel e considera como força motriz para a transferência de calor e massa uma diferença de entalpia. Assim supõe-se que uma gotícula de água no interior da torre está envolvida por uma película de ar saturado na temperatura da água e a diferença de entalpia entre a água e a película de ar se constitui na força motriz para o processo de transferência de calor e massa. A figura 3 abaixo mostra em um diagrama temperatura- entalpia a representação do balanço térmico entre ar e água em uma torre de arrefecimento. No diagrama está mostrado o processo sofrido pelo ar que se aquece representado pela linha CD e o processo sofrido pela água que se resfria representado pela linha AB. 8

9 Figura 3: Diagrama temperatura entalpia para a torre Os pontos A e B representam respectivamente as condições de entrada e saída da água,os pontos C e D representam respectivamente as condições de entrada e saída do ar. A equação de linha CD, obtida de um balanço térmico entre água e ar, é da forma: hd = hc + L/G x cp x ( TA TB ) onde cp é o calor específico a pressão constante da água e os índices referem-se à figura 3. O potencial de entalpia para a transferência de calor e massa é a diferença entre a entalpia da água ( hw ) e a entalpia do ar ( ha ) à mesma temperatura. A Característica da Torre representada pela expressão kav/l é calculada pela equação de Merkel que na sua forma integral é: T2 kav dt = L T hw ha Nela k é o coeficiente de transferência de massa, a é a relação entre a área de contacto e o volume molhado, V é o volume ativo, L a vazão mássica de água, dt diferença infinitesimal de temperatura da água, hw entalpia específica da água e ha a entalpia específica do ar. A característica da torre k av/l é um número adimensional e quanto maior seu valor maior a dificuldade que a torre tem em realizar sua função. Seu valor pode ser obtido integrando o segundo membro da equação de Merkel pelo método devido a Tchebycheff conforme mostrado abaixo. T2 T T2 kav dt = T = L h h 4 Δh Δh Δh Δh 3 w a 2 onde os Δh representam variações de entalpia calculados da forma abaixo especificada. Δh = hw ha Δh2 = hw ha Δh3 = hw ha Δh4 = hw ha calculado a uma temperatura calculado a uma temperatura calculado a uma temperatura calculado a uma temperatura T ( T T2 ) T ( T T2 ) T ( T T2 ) T - 0. ( T T2 ) 9

10 onde T e T2 representam respectivamente as temperaturas de entrada e saída da água da torre. Na prática utilizam-se diagramas, às vezes chamados de Curva de Demanda, que fornecem a Característica da Torre como função da relação L/G para diversos valores de aproximação. Cada diagrama é obtido para uma temperatura de bulbo úmido e um diferencial térmico definidos. A figura 4 abaixo mostra uma Curva de Demanda. A abscissa é a relação L/G e a ordenada a Característica da Torre. As curvas internas no diagrama são linhas de aproximação constante cujos valores diminuem na direção vertical. O diagrama mostrado foi obtido para uma temperatura de bulbo úmido de 26.5oC, diferencial térmico de 5.5oC e pressão barométrica de kpa. Da mesma forma existe um kav/l para o enchimento e portanto uma Curva Característica do Enchimento obtida experimentalmente pelo fabricante. Locando-se na Curva de Demanda da Torre a Curva Característica do Enchimento no ponto de intercessão das duas curvas obtém-se a relação L/G da torre. Figura 4: Característica da torre versus relação L/G 8) Perdas de água na torre As perdas de água na torre se devem à evaporação da água, arrastamento e purga de desconcentração. 8.a) Perdas de água por evaporação e arrastamento Desprezando o volume de água de reposição e as perdas de água por salpico e arrastamento pode-se, por meio de um balanço de energia e um balanço de massa de vapor d água na torre e adotando um valor de 4.8 kj/kg. K para o calor específico da água, determinar a perda de água por evaporação em m3/h ( V EV ) pela fórmula: V EV = V H 2 O t t2 W 2 W h2 h 0

11 onde V H 2 O é a vazão de água em m 3/h que circula na torre, t2 e t representam respectivamente a temperatura de entrada e saída da água em oc, W2 e W representam respectivamente a umidade absoluta do ar na saída e na entrada da torre em gramas de vapor por quilo de ar seco, h 2 e h representam respectivamente a entalpia do ar na saída e na entrada da torre. A perda de água por evaporação ( V EV ) em m3/h pode também ser estimada em função do diferencial térmico da torre ( Δt ) em oc pela fórmula empírica: 3 V EV m3 m = V H O Δt o C h h A perda de água por arrastamento ( V ARR ) pode também ser estimada empiricamente pela relação: V ARR GPM = V H 2 O GPM b) Perda de água por purga de desconcentração Purga de desconcentração (blowdown) é a retirada contínua ou intermitente de uma certa percentagem da água que circula na torre para prevenir um acréscimo na concentração de substâncias sólidas e outra impurezas. Sem a purga de desconcentração, a concentração de impurezas aumenta ràpidamente como resultado do processo de evaporação da água na torre diminuindo a eficiência da torre e aumentando a incrustação nos tubos do condensador. Assim se a evaporação tende a concentrar as impurezas a purga de água e o arrastamento tendem a limitar a concentração. A vazão da purga de desconcentração está relacionada com o Ciclo de Concentração definido como a relação entre a concentração de sólidos existente na água que circula na torre e a concentração de sólidos da água de reposição. Assim um Ciclo de Concentração 4 significa que a água que circula na torre contém 4 vezes mais sólidos que a água de reposição, admitindo-se que esta é a condição limite para que não ocorra a formação de incrustação. O Ciclo de Concentração varia normalmente entre 2 e 4. A tabela abaixo de um fabricante de torre ( SPX Cooling Tower ) fornece a vazão de água de reposição como um percentual da vazão de água que circula na torre em função do diferencial térmico ( cooling range ) e do número de Ciclos de Concentração admitindo uma perda por arrastamento de 0.002%. Para sistemas de ar condicionado o diferencial térmico normalmente adotado é 5.5oC ( 0oF ).

12 9) Seleção de torres de arrefecimento A seleção de torres de arrefecimento é realizada por meio de tabelas e gráficos fornecidos pelo fabricante. Para Ar Condicionado as tabelas são particularizadas para um diferencial térmico de 5.5oC adotando-se ainda uma TR de torre de 3725 kcal/h. Nas tabelas mostradas abaixo, obtidas de um fabricante, o modelo de torre pode ser selecionado pela capacidade térmica da torre em TR (tabela IV) ou pela vazão de água (tabela V) para diversas temperaturas de bulbo úmido. A equivalência entre as duas tabelas pode ser facilmente comprovada. Assim de acordo com a tabela V a torre modelo 40 tem capacidade de resfriamento de 38 m3/h (38000 litros por hora ou kg/h) com uma temperatura de bulbo úmido local de 23oC. Assim admitindo que o calor específico da água vale kcal/ kg.k sua capacidade térmica será kcal/h (38000 x x 5.5) ou seja 55.7 TR (TR de torre vale 3725 kcal/h) valor constante da tabela IV para o mesmo modelo de torre. TABELA DE SELEÇÃO DE TORRES DE ARREFECIMENTO ( AR CONDICIONADO ) 2