Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II Módulo IV Aula 01
1. Introdução Vamos estudar as torres de refrigeração que são muito utilizadas nas instalações de ar condicionado nos edifícios, na indústria petrolífera e química e na geração de energia para reduzir a temperatura de um caudal de água por meio da transferência do calor para um caudal de ar que é lançado na atmosfera, ou seja, são equipamentos para a remoção de calor do processo para a atmosfera. As torres de refrigeração têm muitas variações de tamanho e podem ser desde pequenas unidades instaladas nos telhados dos edifícios até gigantescas torres hiperbólicas que podem atingir até centenas de metros de diâmetro e altura. Também podem ser estruturas retangulares com dezenas de metros de altura e comprimento. As unidades são construídas em oficinas e as de maior tamanho são construídas in loco ou no lugar final da instalação. Na Figura 1.1 vemos alguns tipos destas torres. Figura 1.1 2. Termos técnicos usuais Vamos ver antes de tudo a definição de termos técnicos usados nesta tecnologia. Isto é muito importante para compreendermos melhor o assunto. Arraste: são as gotículas de água que saem pela torre com o ar de exaustão da torre. Estas gotas de água têm uma concentração de impurezas semelhante à da água de entrada da torre e sua quantidade é reduzida instalando-se eliminadores de gotas na saída da torre. O ar que sai da torre passa por estes eliminadores que separam grande quantidade de gotas. Escape: são as gotículas levadas pelo vento na área da entrada de ar na torre. Poderá ser perdida uma quantidade de água mesmo sem vento devido a salpico ou formação de névoa. Para limitar este efeito podem ser instalados defletores de salpico ou espirro, venezianas, telas contra vento ou desviadores de água. Pluma: é uma corrente de ar de exaustão saturada com água que saí da torre. A pluma é vista de longe quando o vapor de água se condensa em contato com o ar mais frio e forma uma nuvem em um dia mais frio. Sob certas 1
condições em climas mais frios pode-se formar gelo nas proximidades da torre. A pluma contém água que é mais pura quando comparada com as gotículas que saem pela exaustão da torre. Descarga: é a parte do fluxo de água de circulação que é removida para manter a quantidade de sólidos dissolvidos e outras impurezas em um nível aceitável. Apesar de que um alto teor de sólidos dissolvidos (TSD) resulta em um potencial mais alto de eficiência da torre, este mais alto teor causa um maior risco de deposição ou incrustação da torre, um maior crescimento biológico e uma corrosão maior por isso o TSD deve ser mantido em certo nível baixo. Lixiviação: é a perda de produtos químicos que protegem a madeira pela ação de lavagem do fluxo de água através da estrutura das torres construídas com partes de madeira. Ruído: é a energia de som que é emitido pelo equipamento da torre de resfriamento que pode ser ouvido a certa distância e certa direção da torre. Este ruído provém da água que cai pela torre, dos ventiladores, pelos motores e acionamentos. Aproximação: é a diferença de temperatura entre a temperatura da água que entra na torre e a temperatura de bulbo úmido do ar que entra. Como as torres de refrigeração se baseiam no resfriamento por evaporação a eficiência máxima depende da temperatura de bulbo úmido do ar que entra na torre. Faixa: é a faixa da diferença de temperatura entre a temperatura de entrada da água e sua temperatura de saída. Enchimento: na construção das torres são utilizados enchimentos que aumentam a superfície de contato ar/água com o fim de aumentar o tempo de contado entre eles. A razão disto é aumentar a eficiência da transferência de calor. Existem dois tipos de enchimentos: de película e de espalhamento. 3. Esquemático da torre Vemos na Figura 3.1 um esquema mostrando os componentes de uma torre. 2
Figura 3.1 4. Tipos de torres de resfriamento Existem basicamente dois tipos de torres: de tiragem natural e a de tiragem forçada. A torre de tiragem natural não utiliza ventiladores para provocar a tiragem, mas somente a diferença de temperatura e densidade entre o ar exterior mais frio e o ar mais quente interno na torre. Já as torres de tiragem forçada usam ventiladores para circular o ar através das torres. 4.1. Torres de tiragem natural Vamos iniciar vendo a construção da torre de tiragem natural. Este tipo de torre usa a diferença de temperatura entre o ar ambiente e a ar mais quente dentro da torre. Vemos este tipo de torre na Figura 4.1. 3
Figura 4.1 O ar quente se movimenta dentro da torre para cima, pois ele está mais quente e sua densidade é menor do que o ar externo que, por sua vez, é puxado para dentro da torre por uma abertura na parte inferior da torre. Devido a essa construção não há necessidade de ventilador para forçar a tiragem. Estas torres podem atingir 200 metros de altura e são usadas somente para altas capacidades devido ao alto custo de sua estrutura de concreto. Como vemos na Figura 4.2, existem dois tipos de torres: de fluxo cruzado e de contra fluxo. Figura 4.2 A torre de fluxo cruzado à direita recebe a água quente por meio de uma caixa de distribuição que circula toda a torre e entra em fluxo cruzado com o ar que entra na torre cruzando o enchimento em relação à entrada de ar. O enchimento está situado ao lado da torre circundando a mesma. Na torre de contra fluxo à esquerda a água quente entra por um chuveiro em sentido contrário ao sentido do ar. O enchimento está localizado dentro da torre. 4
4.2. Torres de tiragem forçada Nas torres de ventilação forçada temos também dois tipos de fluxo de ar: contra fluxo e fluxo cruzado como veremos abaixo. Estas torres têm a instalação de ventiladores para forçar o ar a circular pela torre e elas são também chamadas de torres de ventilação mecânica. A água cai sobre enchimentos na parte superior da torre que têm a finalidade de aumentar a superfície e o tempo de contato entre o ar e a água ajudando a maximizar a transferência de calor entre eles. As taxas de resfriamento deste tipo de torre dependem de diversos parâmetros entre eles: diâmetro das pás dos ventiladores, velocidade de operação, disposição e tipo de enchimento, etc. Estes tipos de torres estão disponíveis para diversas capacidades e podem ser de fabricação em oficina ou pré-montadas ou de fabricação no local como as torres em concreto. Estas torres podem ser construídas de torres individuais agrupadas ou células de torres agrupadas, podendo então ter duas ou mais unidades montadas juntas dependendo da capacidade necessária para o conjunto. As formas das torres podem ser quadradas, redondas ou lineares ou em fila e o ar pode entrar pelas laterais ou no fundo das células. Vemos na Figura 4.3 uma torre de tiragem forçada com o ventilador instalado na base da torre. Figura 4.3 Esta torre é adequada para onde a resistência do ar é muito grande devido à instalação de ventilador. A desvantagem é a possível recirculação do ar devido à altas velocidades de entrada do ar e baixas velocidades de saída. Isto pode ser evitado instalando dutos de descarga do ar. 5
Na Figura 4.4 vemos à uma torre de tiragem forçada de contra fluxo. Na esquerda a torre não tem enchimento e na direita a torre tem um enchimento para melhorar a eficiência. Figura 4.4 Nesta torre a água entra por cima e o ar entra pelo lado da torre em lados opostos e o ventilador de exaustão aspira o ar que sai por cima da torre. A vantagem desta torre é a menor recirculação, pois o ar saí a velocidades altas pela parte superior da torre. Por outro lado sua desvantagem é que os motores e acionamentos devem ser à prova de umidade e devem estar protegidos contra a corrosão da umidade ambiente. Na Figura 4.5 temos uma torre em corrente cruzada. 6
Figura 4.5 Neste caso a água entra por cima e o ar entra pela lateral e cruza com a água que desce pelo enchimento lateral. 5. Tratamento da água das torres de resfriamento Um ponto muito importante nas torres de resfriamento é a qualidade da água no sistema. O conteúdo de minerais dissolvidos na água pode variar muito e podem se tornar agressivos aos metais e, além disso, também podem se depositar no sistema por ser o conteúdo de sais no sistema for muito alto. Por essa razão é usual adicionar produtos químicos para o tratamento dessa água para ajustar o ph e para produzir o mínimo de deposição e corrosão. Também é usual a adição de biocidas e algicidas para impedir o crescimento de algas e outras espécies de organismos vivos. Uma razão importante para o uso dos biocidas é a eliminação da Legionella, uma bactéria que provoca a doença do legionário ou legionelose uma espécie de pneumonia provocada pela Legionella pneumophyla. Essa doença pode ser provocada pela água resfriada nas torres de resfriamento e outras fontes de água e as gotículas de água que saem das torres podem também ser uma fonte destas bactérias. Os eliminadores de gotículas podem quando bem instalados e funcionando bem eliminar essas gotículas até ao redor de 0,001-0,0005% da taxa da água em circulação. Os eliminadores de gotas provêem normalmente muitas direções de circulação do fluxo de ar e impedem o escape das gotas de água e dessa forma um eliminador de gotas bem desenhado pode eliminar muito o potencial de Legionella ou outros tipos de exposição química. 7
6. Nota Final Nas instalações das torres de resfriamento podem acontecer sob certas condições climáticas nuvens de umidade ou parecida com uma cerração e muitas pessoas confundem isso até com a possibilidade de incêndio nas instalações, pois confundem com fumaça de uma queimada, por exemplo. A formação desta nuvem pode acontecer nos dias úmidos e frios, mas em certos climas raramente acontece. 8