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