Funcionamento de uma Torre de Resfriamento de Água

1 Funcionamento de uma Torre de Resfriamento de gua Giorgia Francine Cortinovis (EPUSP) Tah Wun Song (EPUSP) 1) Introdu o Em muitos processos, h necessidade de remover carga t rmica de um dado sistema e usa se, na maioria dos casos, gua como o fluido de Resfriamento . Devido sua crescente escassez e preocupa o com o meio ambiente, al m de motivos econ micos, a gua "quente" que sai desses resfriadores deve ser reaproveitada. Para tanto, ela passa por um outro equipamento que a resfria, em geral uma Torre chamada Torre de Resfriamento evaporativo ("evaporative cooling tower"), e retorna ao circuito dos resfriadores de processo. A Figura 1 mostra o esquema t pico de um sistema de gua de Resfriamento , composto por Torre de Resfriamento e trocadores de calor: Figura 1 Sistema de Resfriamento gua de Resfriamento Flu do de processoA gua que sai dos resfriadores de processo alimentada e distribu da no topo da Torre de Resfriamento , constitu da de um enchimento interno para melhor espalhar a gua.

2 Ar ambiente insuflado atrav s do enchimento, em contracorrente ou corrente cruzada com a gua que desce. Por meio desse contato l quido g s, parte da gua evapora e ocorre o seu Resfriamento . O princ pio de Funcionamento da Torre ser descrito no item 2. Em uma planta qu mica ou petroqu mica, a press o de opera o nos condensadores das colunas de destila o ou nos evaporadores de sistemas de concentra o estabelecida a partir da temperatura da gua de Resfriamento . Para que os condensadores de produtos vol teis possam operar com gua de Resfriamento , s o necess rias press es de opera o suficientemente elevadas. A temperatura da gua de Resfriamento um dado muito importante para o projeto de um condensador de topo de uma coluna de Resfriamento e tamb m para o dimensionamento da pr pria coluna de destila o. Varia es na temperatura da gua de Resfriamento influenciam diretamente na opera o dos condensadores de topo de uma coluna de destila o e conseq entemente a opera o da pr pria coluna.

3 Este um exemplo interessante de como a temperatura da gua de Resfriamento uma informa o decisiva n o s na opera o de uma planta, mas tamb m na fase de projeto de um equipamento (trocador de calor, colunas, reatores). Na pr tica, h outros sistemas de Resfriamento de gua. Por exemplo: lagoa de Resfriamento ( gua quente entra num lado da lagoa e ap s atravessar a sua extens o, sai resfriada no outro lado da lagoa), torres de Resfriamento n o evaporativo (usadas em usinas nucleares), etc. Mas, o sistema mais comum a Torre de Resfriamento a ser apresentada no presente trabalho. Ela usada n o s em processos industriais, mas tamb m em pr dios com sistema central de ar condicionado, como "shopping centers". 2) Princ pio de Funcionamento Antes de estudar como funciona uma Torre de Resfriamento , fundamental entender muito bem o conceito das temperaturas de bulbo seco e bulbo mido do temperatura de bulbo seco do ar a pr pria temperatura do g s (o bulbo do term metro usado na medi o est "seco").

4 A temperatura de bulbo mido medida com o bulbo do term metro envolto com uma gaze umidificada com gua, com outros cuidados espec ficos que n o ser o descritos aqui. Por defini o, a temperatura atingida, em regime permanente (n o de equil brio termodin mico), por uma pequena por o de gua, em contato com uma corrente cont nua de ar, em condi es adiab ticas (s h troca t rmica entre o ar e essa massa de gua), desprezando se os efeitos de radia o t rmica nessa troca. A temperatura de bulbo mido menor ou no m ximo igual em rela o temperatura de bulbo seco. Isso ocorre porque, exposta a uma corrente de ar n o saturado (umidade relativa menor do que 100 %), parte da gua presente na gaze evapora e com isso, a temperatura abaixa. Para entender esse fen meno de Resfriamento devido evapora o, pode se mencionar dois exemplos quotidianos. Quando voc sai da piscina, tem uma sensa o repentina de frio, pois vaporiza parte da gua impregnada na sua pele.

5 Quando voc toma gua guardada numa moringa de barro, ela mais fresca, pois como o barro poroso, parte da gua armazenada exsuda (transpira) pelas paredes (a superf cie externa da moringa parece "suada"), evapora no ar e com isso, resfria a gua da moringa. Numa Torre de Resfriamento , a principal contribui o para o Resfriamento da gua dada pela evapora o de parte dessa gua que recircula na Torre . A evapora o da gua transfer ncia de massa da fase l quida ( gua) para a fase gasosa (ar) causa o abaixamento da temperatura da gua que escoa ao longo da Torre de Resfriamento . Isso ocorre porque a gua para evaporar precisa de calor latente, e esse calor retirado da pr pria gua que escoa ao pela Torre . Vale lembrar que a transfer ncia de massa da gua para o ar ocorre porque as duas fases em contato tendem a entrar em equil brio. A evapora o de parte da gua respons vel por aproximadamente 80% do Resfriamento da gua.

6 A diferen a de temperatura entre o ar e a gua respons vel pelos outros 20 % do vaz es mais altas de ar e gua provocam, at um determinado limite, uma convec o mais intensa, elevando os coeficientes globais de transfer ncia de calor e massa. O aumento das vaz es de ar e gua causa um aumento da turbul ncia, o que favorece a transfer ncia de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vaz es de gua e ar tornam se muito altas, o contato entre a gua e o ar torna se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de gua pela corrente de ar ou a dificuldade de se formar filmes na superf cie do recheio que favorecem a transfer ncia de massa. As vaz es de gua e ar da Torre s o limitadas pelo tipo de recheio empregado. 3) Vari veis de processo e especifica o da Torre de Resfriamento O range de uma Torre de Resfriamento definido como a diferen a entre a temperatura da gua quente (alimenta o da Torre ) e a temperatura da gua fria (sa da da Torre ).

7 O range de uma Torre varia conforme as condi es clim ticas e a vaz o da gua de Resfriamento na Torre . O approach de uma Torre de Resfriamento a diferen a entre a temperatura da gua fria (sa da da Torre de Resfriamento ) e a temperatura de bulbo mido do ar na entrada da Torre . Para torres de Resfriamento industriais, o approach gira em torno de 5 C, sendo tamb m um crit rio do projeto. Fazendo se uma analogia com trocadores de calor, da mesma forma que seria necess ria uma rea infinita de troca t rmica para que a temperatura do fluido quente seja a mesma do fluido frio na sa da do trocador, seria necess ria uma Torre de Resfriamento de altura infinita para que a gua atinja a temperatura de bulbo mido do ar. A vaz o de gua de Resfriamento que recircula na Torre , juntamente com o range e approach, s o as vari veis de processo necess rias para o dimensionamento de uma Torre de Resfriamento . Outro dado necess rio ao dimensionamento da Torre o par metro de desempenho da Torre , definido como o produto entre o coeficiente global de transfer ncia de massa e a rea especifica do recheio da Torre .

8 O par metro de desempenho da Torre depende do tipo de recheio e das vaz es de gua e ar empregadas. Nos cat logos dos fabricantes de torres de Resfriamento o par metro de desempenho para o dimensionamenton o mostrado de forma expl cita, sendo substitu do por gr ficos e bacos que relacionam as demais vari veis necess rias (range, approach e vaz o). 4) Aspectos operacionais O desempenho de uma Torre de Resfriamento varia, entre outros fatores, conforme a temperatura do ar ambiente, umidade do ar, temperatura de bulbo mido, ou seja, com o clima. No inverno, a temperatura do ar cai e a temperatura de sa da da gua tamb m cai, caso a carga t rmica seja mantida constante. Para manter a temperatura da gua de sa da constante, pode se diminuir a vaz o de gua que recircula no sistema de refrigera o. No ver o, ocorre o inverso a temperatura de sa da da gua aumenta, comprometendo a opera o de um condensador em uma coluna de destila o, por exemplo.

9 Pode se aumentar a vaz o de gua no sistema, visando compensar o aumento de temperatura. Em pa ses de clima quente como o Brasil, os principais problemas de queda de desempenho na opera o de torres de Resfriamento ocorrem durante o ver o. A dire o dos ventos deve ser considerada durante o projeto e instala o de uma Torre de Resfriamento . Fontes de calor pr ximas s torres de Resfriamento podem influenciar sua opera o. Problemas de recircula o e interfer ncia s o os mais comuns em torres de Resfriamento . A recircula o ocorre quando o ar quente e mido que deixa a Torre contamina o ar que est entrando na Torre . Esta situa o pode ocorrer devido dire o dos ventos, dificuldades de dispers o do ar de sa da e forma o de neblina (fog). A interfer ncia ocorre quando a ar que sai de uma Torre contamina o ar de entrada de outra Torre pr xima a dire o dos ventos causa problemas de interfer ncia.

10 A forma o de neblina (fog) ocorre quando parte do vapor de gua que sai da Torre condensa em pequenas gotas, devido ao contato com o ar ambiente mais frio, tornando se o ar supersaturado. A forma o de neblina ocorre com mais freq ncia no inverno, dificultando a dispers o do ar quente que sai da Torre . A press o na tubula o de distribui o de gua de Resfriamento importante para que se garanta que todos os consumidores recebam a vaz o de gua necess ria e tamb m do pontode vista de seguran a operacional. Por exemplo, em um trocador de calor tipo casco tubo a gua de Resfriamento (que geralmente passa nos tubos) est a uma press o de 5 kfg/cm 2 man e o flu do processo, que t xico, passa no casco a uma press o de 2 kfg/cm 2 man. Caso ocorra um furo em um dos tubos do trocador, a gua (que est a uma press o mais alta) vazar para o lado do casco, contaminado o fluido de processo. Caso a press o do fluido de processo fosse mais alta que a da gua de Resfriamento , ocorreria o inverso, e todo o sistema de Resfriamento estaria contaminado, o que implicaria em riscos maiores do ponto de vista de seguran a operacional e meio ambiente.