SLIDE - Torre de Resfriamento

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Torres de Resfriamento
Definição
As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o resfriamento de água industrial, como aquela proveniente de condensadores de usinas de geração de potência, ou de instalações de refrigeração, trocadores de calor, etc.
Uma torre de refrigeração é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes.
Funcionamento
Esquema típico de  um sistema de  água de resfriamento, composto por torre de resfriamento e resfriadores de processo.
Funcionamento
Numa torre de resfriamento a principal contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação de parte dessa água que circula na torre. 
A evaporação da água – transferência de massa da fase líquida (água) para a fase gasosa (ar) – causa o abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. Isso ocorre porque a água precisa de calor latente para evaporar e esse calor é retirado da própria água que escoa pela torre.
Partes de uma Torre de Resfriamento
Classificação
Classificação de acordo com o processo de dissipação de calor da água:
Resfriamento evaporativo
Resfriamento não-evaporativo
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar:
Circulação Natural
Circulação forçada/ induzida
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água:
Fluxo cruzado
Fluxo Contracorrente
Classificação de acordo com o processo de dissipação de calor da água
Resfriamento Evaporativo (wet cooling towers)
O resfriamento da água ocorre devido à evaporação de parte da água de recirculação do sistema e também devido à transferência de calor sensível da água para o ar. 
Nas torres de resfriamento evaporativo, o ar e água estão em contato direto; esta é uma das vantagens deste tipo de torre, pois permite uma alta transferência de calor e massa. 
As torres de resfriamento evaporativas têm custo de capital e operacional inferior ao custo de torres não evaporativas. 
Classificação de acordo com o processo de dissipação de calor da água
Resfriamento Não-evaporativo (dry cooling towers)
São empregadas quando a temperatura da água a ser resfriada é muito alta, como em usinas nucleares, ou quando o fornecimento de água para o sistema é precário. 
Nas torres de resfriamento não-evaporativas, a água quente ou vapor de exaustão de turbinas passa por uma serpentina em contato com o ar aspirado por ventiladores. 
O resfriamento da água ocorre devido à transferência de calor sensível da água para o ar. 
Classificação de acordo com o processo de dissipação de calor da água
Combinação entre resfriamento evaporativo e não-evaporativo (wet-dry cooling towers)
Algumas torres de resfriamento combinam em um só equipamento as etapas de resfriamento não-evaporativo e evaporativo.
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar
Torre de Resfriamento com tiragem natural
Usadas em aplicações de maior porte, como no resfriamento da água de arrefecimento usada nas usinas termelétricas.
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar
Cada uma dessas torres tem uma dimensão aproximada de um campo de futebol com aproximadamente 90 m de altura e 75 m de diâmetro. 
A torre é construída em concreto reforçado com espessura que varia de 12 a 30 cm. 
A forma hiperbólica é preferida, pois é a que o ar úmido ascendente assume naturalmente e também pela grande economia de concreto que pode ser feita adotando-se essa estrutura.
O ar que sai pelo topo da torre é quente e úmido; encontrando-se com o ar ambiente mais frio boa parte da umidade condensa-se e forma o penacho de vapor que flutua com o vento.
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar
Torre de Resfriamento com tiragem forçada ou induzida
Usadas nas instalações de resfriamento de água de porte intermediário.
São preferidas, pois impedem a recirculação do ar úmido.
Nessas torres os ventiladores são colocados no topo. O ar é aspirado através das venezianas colocadas na base da torre e passa pelo enchimento, em contracorrente com o escoamento da água. 
Nas maiores torres (capacidade da ordem de 6,3 m³/s de água), o ar pode ser aspirado através de duas aberturas laterais da torre e é impelido para um ventilador central mediante painéis inclinados.
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar
Nesta torre o ar entra pelos dois lados e escoa por entre o fluxo de água descendente para um duto central, depois um ventilador impele o ar para cima do duto e o expele pelo topo da torre. A distribuição inicial da água se faz inundando-se uma chapa distribuidora, provida de bocais de porcelana, por onde a água escorre sobre o enchimento (miolo) da torre.
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Fluxo cruzado
O ar é aspirado através de duas aberturas laterais e entra perpendicularmente em relação ao enchimento e à corrente de água. O enchimento é dividido em duas secções e no intervalo entre essas secções, localiza-se o ventilador.
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Fluxo contracorrente
Os processos de transferência de calor e de massa com fluxos em contracorrente são bem mais eficientes, permitindo o maior resfriamento possível, porque nesta configuração a diferença média entre as entalpias do ar e da água permanece maior e mais constante que na situação de fluxos em corrente cruzada. 
O enchimento das torres pode ser do tipo filme ou respingamento;
Na configuração em contracorrente, a abertura de entrada de ar localiza-se abaixo do enchimento; deste modo, o ar entra na mesma direção e em sentido oposto em relação à água.
Fluxo contracorrente com aspiração forçada 
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Fluxo contracorrente com aspiração induzida
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Observa-se que nas torres com aspiração induzida, o ar sai a uma velocidade mais alta, sendo jogado para cima da sua captação, dispersando-se com mais facilidade. 
No entanto, nas torres com aspiração induzida, a perda de carga do ar causada pelo enchimento da torre é maior, o que implica no aumento de potência do ventilador. 
Para a torre com aspiração forçada, a distribuição do ar é mais pobre, pois o ar deve fazer um desvio de 90°, ao contrário da torre com aspiração induzida.
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água
Distribuição por sprays:
A água escoa por uma bateria de bicos sprays, dimensionados e arranjados para uma distribuição uniforme de água na torre. O sistema de sprays é geralmente utilizado em torres de resfriamento com fluxo contracorrente.
Cruzando as classificações
Tipo de Resfriamento
Escoamento
Tiragem
Evaporativo
Fluxo cruzado
Natural
Mecânica
Fluxo Contracorrente
Natural
Mecânica
Não evaporativo
-
Natural
Mecânica
Não evaporativo e evaporativo
Concorrente
Mecânica
Definições relevantes
Umidade específica (ω): relação entre a massa de vapor d’água e a massa do ar seco.
Umidade absoluta: quantidade de vapor presente na mistura ar-vapor.
Umidade relativa (ϕ): relação entre a umidade absoluta existente e a máxima umidade absoluta a uma dada temperatura, quando o ar estiver saturado de vapor.
Definições relevantes
Carga térmica - quantidade de calor por unidade de tempo a ser dissipada pela torre de resfriamento. Ela é imposta pelo processo e afeta diretamente as dimensões de uma torre de resfriamento.
Range - diferença entre a temperatura da água quente (alimentação da torre) e a temperatura da água fria (saída da torre ).
Approach - diferença entre a temperatura da água fria (saída da torre de resfriamento) e a temperatura de bulbo úmido do ar na entrada da torre.
Definições relevantes
Reposição - vazão de água adicionada ao sistema para repor
as perdas de água por evaporação, arraste e purga.
Arraste (drift) - perda da água de circulação da torre através de gotículas arrastadas pela descarga de ar. 
Purga - descarte de parte da água do sistema para controle de concentração de sais e outras impureza.
Os eliminadores de gotículas (drift eliminator) têm como objetivo minimizar as perdas de água por arraste na corrente de ar que sai da torre para a atmosfera. São conjuntos de chicanas ou obstáculos colocados entre o sistema de distribuição de água na torre e o ponto de descarga de ar ou ventilador. As gotas de água ao se chocarem com os eliminadores de gotículas perdem força, separando-se da corrente de ar, permanecendo na torre de resfriamento.
Definições relevantes
Temperatura de bulbo úmido - é a temperatura mais baixa que a água pode atingir por umidificação adiabática do ar. 
A temperatura de bulbo úmido influencia as temperaturas de operação da planta e custos operacionais. O valor da temperatura de bulbo úmido é importante para o projeto de torres de resfriamento.
É medida colocando-se uma mecha úmida ao redor do bulbo de um termômetro, imerso em uma corrente de ar não saturada. Como a mecha está molhada e o ar ao seu redor não está saturado, a água se evapora da mecha para o ar. O calor latente de vaporização é retirado da mecha, fazendo diminuir sua temperatura em relação à temperatura inicial. A queda de temperatura da mecha provoca um fluxo de calor sensível do ar para a mecha, reduzindo a temperatura do ar que a circunda. A temperatura de bulbo úmido é medida quando se estabelece o regime permanente.
Definições relevantes
Temperatura de saturação adiabática - é a temperatura na qual a mistura vapor de água e ar torna-se saturada, em um processo adiabático. 
Esquema de Saturador adiabático
Definições relevantes
Psicrômetro giratório - é um aparelho composto por dois termômetros, um de bulbo úmido e outro de bulbo seco, acoplados em um suporte giratório. Para acelerar o regime permanente e para intensificar o transporte de calor por convecção (tornando os efeitos de radiação térmica desprezíveis), os termômetros são agitados, girando-se o suporte pelo cabo. As leituras são feitas quando os valores das temperaturas se estabilizam com tempo.
Definições relevantes
O Número de Unidades de Transferência – NUT é um parâmetro adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor sendo representado pela seguinte formula NUT=UA/Cmin onde o Cmin é o menor coeficiente entre o Cfrio e o Cquente, U é o coeficiente global de transferência de calor e por fim A é a própria área de transferência de calor. O método utilizado para isso é a efetividade em função de NUT como e a de capacidades caloríficas, c, demonstrado pela formula ε=f(NUT,Cmin/(C max))= UA/(C min)+ (C min)/(C max)
Definições relevantes
O valor desse resultado interfere diretamente na eficiência.
Baixos valores de NUT - Baixa eficiência.
Aumentando NUT, eficiência geralmente aumenta.
Um trocador de calor ideal NUT →∞, pois a A →∞, ou seja, para que a transferência máxima qmax = Cmin ∆Tmax.
Definições relevantes
Exercício de aplicação
Um composto químico (cp=1800 J/kgoC) é aquecido por água (cp=4180 J/kg.oC) num trocador de calor de tubo duplo com fluxo paralelo. O composto químico entra a 20oC e escoa com um fluxo de 3 kg/s e a água entra a 110oC e escoa com um fluxo de 2 kg/s A área de troca de calor é de 7 m2 e o coeficiente global de transferência de calor é de 1200 W/m2 ∙oC. Determine as temperaturas de saída dos fluídos.
Exercício de aplicação
Exercício de aplicação
Exercício de aplicação
Balanço de massa e energia
O balanço de massa e de energia em uma instalação típica de uma torre de resfriamento opera com uma fonte de calor num circuito fechado.
O balanço de massa de água considerando-se como volume de controle o sistema de resfriamento indicado:
A Figura apresenta o vo-
lume de controle e as taxas de 
fluxos de ar e água do sistema de
resfriamento de água operando
 com uma fonte de calor num
 circuito fechado.
Balanço de massa e energia
Em regime permanente, o balanço de massa de água pode ser expresso pela Equação 2.
Para o balanço de energia do volume de controle da torre de resfriamento e do trocador de calor indicado na Figura 11, considera que estão submetido a uma temperatura de referência igual a zero grau Celsius, tem-se:
Balanço de massa e energia
A Equação 4 apresenta o balanço de energia que também pode ser expresso em termos da variação da temperatura da água.
Por conveniência, as torres de resfriamento são analisadas com área interna da base e secção transversal de 1m².
Substituindo-se a Equação 4 na Equação 3, tem-se:
Balanço de massa e energia
Dividindo a Equação 5 pela Equação 2, obtém-se:
Combinando-se a Equação 6 com a Equação 4, tem-se:
A Equação 7 mostra a quantidade de água de reposição necessária para uma determinada condição de entrada (H1, ω1) e condição de saída (H2, ω2) para uma torre de resfriamento.
Balanço de massa e energia
A transmissão de calor numa torre de resfriamento dá-se através da soma das parcelas de calor latente e calor sensível:
Combinando-se as Equação 8 e 9 com a Equação 4, tem-se:
Dividindo-se a Equação 10 pela 9, tem-se:
Balanço de massa e energia
Combinando-se a Equação 11 com as Equação 5 e a Equação 2, tem-se:
A relação acima mostra que a razão entre o calor sensível e o calor latente depende das condições de entrada e saída do ar, que são conhecidas ou podem ser calculadas. As parcelas de calor latente e sensível são conhecidas respectivamente como os termos difusivo e convectivo da transferência de calor.
Coeficientes de transporte de calor e massa
Outro aspecto importante quando se refere a torres de resfriamento é o mecanismo de transporte de calor entre as interfaces da água e do ar. A figura apresenta a transferência de calor em uma gota de água.
Coeficientes de transporte de calor e massa
Sentido de escoamento e o contato da água e do ar ambiente no enchimento de uma torre de resfriamento de água.
Entre a gota de água e a massa de ar, supõe-se a existência de uma película água-ar, separada por uma interface. A interface é como uma camada fina de ar saturado com um gradiente de temperatura através dela. Essa camada tem condições médias (Ti, Hi, ωi) e que não ocorre resistência através dessa interface e, ainda, as duas fases estão em equilíbrio
Coeficientes de transporte de calor e massa
No processo da torre de resfriamento, conforme apresentado, água quente entra em contato com uma corrente de ar frio, promovendo, desta maneira, a transferência de calor da fase líquida para o gás, através da evaporação de parte da água para o ar não saturado
Coeficientes de transporte de calor e massa
O topo e o fundo de uma torre de resfriamento com escoamento de água - ar em contracorrente.
Coeficientes de transporte de calor e massa
Análise gráfica de Operação da Torre de Resfriamento:
Projeto de uma Torre de resfriamento
É grande o esforço desenvolvido pelos engenheiros para deduzir e resolver o conjunto de equações simultâneas que descrevem:
O efeito da umidade e da temperatura sobre a densidade do ar;
A transferência de calor e de massa no recheio da coluna;
A transferência de momento e a sua influência sobre a velocidade do escoamento do ar.
As possibilidades dos computadores permitem que estas soluções simultâneas e iterativas sejam obtidas numérica e semiquantitativamente.
Projeto de uma Torre de resfriamento
Estes métodos de projeto exigem o uso de equações de transferência como as que estão na tabela.
Projeto de uma Torre de resfriamento
O projeto de uma torre de resfriamento parte dos valores da vazão e da temperatura da água a ser resfriada. Então, uma vez especificada a geometria da torre em termos de suas dimensões e tipo de enchimento, o funcionamento adequado dependerá
do controle da vazão de ar. 
Em termos de insumo energético, a torre demandará potência para fazer escoar o ar, sendo que o enchimento da torre é um elemento que introduz perda de carga. A água deverá ser bombeada até o ponto de aspersão fazendo com que a torre apresente um funcionamento eficaz.
Referências
AUTOR DESCONHECIDO. Torres de Resfriamento de Água: Noções gerais. Disponível em: <www.torreresfriamento.com.br>. 16 de novembro de 2014.
 CORTINOVIS, GIORGIA F. & SONG, TAH W. Funcionamento de uma Torre de Resfriamento de Água. Disponível em: <www.hottopos.com/regeq14/giorgia>. 16 de novembro de 2014.
 BENNETT, C.O. & MYERS, J.E. Fenômenos de Transporte de Quantidade de Movimento Calor e Massa. Edit. McGraw - Hill do Brasil Ltda., 1978.
 PERRY, R. H & CHILTON, C. H. Manual de engenharia Química. 5. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1980.
 FOUST, Alan S. Princípios das operações unitárias. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1982.
 OLIVEIRA, Vagner F. Diagnóstico de Eficiência Energética de uma Torre de Resfriamento de água da ArcelorMittal Inox Brasil. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, 2010.
OBRIGADO!