TRABALHO PTC - TORRE DE RESFRIAMENTO 2

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CENTRO UNIVERSITÁRIO JORGE AMADO – UNIJORGE
TORRES DE RESFRIAMENTO
ESTUDO DE TORRES DE RESFRIAMENTO
Salvador – BA
2014
TORRES DE RESFRIAMENTO
ESTUDO DE TORRES DE RESFRIAMENTO
Trabalho de estudo sobre Torres de Resfriamento como parte da nota para a disciplina Produção e Transporte de Calor, do curso de Engenharia de Petróleo e Gás do sexto semestre noturno.
Professor(a): Celso Marques. 
Salvador – BA
2014
Sumário
1. Introdução..................................................................................................................04
2. Torres de Resfriamento...............................................................................................05
2.1. Conceito..............................................................................................................05
2.2. Funcionamento...................................................................................................05
2.3. Classificação.......................................................................................................07
2.4. Definições relevantes..........................................................................................13
2.5. Balanço de massa e de energia...........................................................................17
2.6. Coeficientes de transporte de calor e massa.......................................................19
2.7. Projeto de uma Torre de Resfriamento...............................................................24
3. Conclusão....................................................................................................................26
4. Referências..................................................................................................................27
Introdução
	
Na grande maioria dos processos industriais existe a necessidade de resfriamento de equipamentos e maquinarias que geram certa quantidade de calor durante sua operação. Geralmente, o fluido utilizado para dissipar esse calor é a água, devido às suas características físicas (alto calor específico, baixa viscosidade, alta condutibilidade térmica e alta densidade), além da facilidade de obtenção e a sua atoxidade.
Após sua utilização, pode-se eliminar a água do sistema ou resfriá-la e reaproveitá-la no sistema de resfriamento. Há tempos era usual optar-se pela primeira alternativa, porém com a dificuldade crescente em se obter água a custos reduzidos e com maiores rigores nas leis que regem a poluição de mananciais, chegou-se à conclusão de que o uso de circuitos semifechados de resfriamento seria a melhor solução.
Desta forma, dentre os vários processos de resfriamento de água existentes, surgiu a torre de resfriamento de água. Equipamento esse que utiliza processos de evaporação e transferência de calor para resfriar a água.
Na prática, existem outros sistemas de resfriamento de água, como por exemplo: lagos de resfriamento (água quente entra num lado da lagoa e, após atravessar sua extensão, sai resfriada no outro lado da lagoa) e torres de resfriamento não evaporativo (usadas em usinas nucleares). Mas o sistema mais comum é a torre de resfriamento a ser apresentada no presente trabalho, a Torre de Resfriamento de Água. Ela é usada não só em processos industriais, mas, também, em prédios com sistema central de ar-condicionado (como shopping centers).
São nos casos mais típicos, especialmente quando a carga de arrefecimento é grande, usam-se as torres de resfriamento. Na maioria das vezes, essas torres são construídas em madeira com vários patamares ripados. Usam-se também alumínio, aço, tijolos, concreto e chapa de amianto. A água é distribuída no patamar superior e goteja descendentemente pelos vários tablados até chegar a uma bacia coletora na base. Impede-se a corrosão mediante construção em materiais específicos, como madeira de lei, aço inoxidável ou porcelana.
Torres de resfriamento
Conceito
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. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de “enchimentos” de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenômeno que produz seu resfriamento.
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. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do “enchimento” da torre, ou seja, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico; que aumentam o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água - ar.
Funcionamento
A Figura  1  mostra  o esquema típico de  um sistema de  água de resfriamento, composto por torre de resfriamento e resfriadores de processo.
 
Figura 1: Esquema de Sistema de Resfriamento
A água sai dos resfriadores de processo, é alimentada e distribuída no topo da torre de resfriamento; esta, por sua vez, é constituída de um enchimento interno para melhor espalhar a água. O ar ambiente é insuflado através do enchimento, em contracorrente ou corrente cruzada com a água que desce. Por meio desse contato líquido – gás, parte da água evapora e ocorre o seu resfriamento. 
Em uma planta química ou petroquímica, a pressão de operação nos condensadores das colunas de destilação ou nos evaporadores de sistemas de concentração é estabelecida a partir da temperatura da água de resfriamento. Para que os condensadores de produtos voláteis possam operar com água de resfriamento são necessárias pressões de operação suficientemente elevadas. A temperatura da água de resfriamento é um dado muito importante para o projeto de um condensador de topo de uma coluna de resfriamento e também para o dimensionamento da própria coluna de destilação.
Variações na temperatura de resfriamento influenciam diretamente na operação dos condensadores de topo de uma coluna de destilação e consequentemente a operação da própria coluna. Este é um exemplo interessante de como a temperatura da água de resfriamento é uma informação decisiva não só na operação de uma planta, mas também na fase de projeto de um equipamento como trocador de calor, reatores, colunas etc.
	Para entender como funciona uma torre de resfriamento é fundamental entender os conceitos das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar. A temperatura do bulbo seco do ar é a própria temperatura do gás (o bulbo do termômetro usado na medição está “seco”). A temperatura de bulbo úmido é medida com o bulbo do termômetro envolto com uma gaze umidificada com água; por definição, é a temperatura atingida por uma pequena porção de água em regime permanente (não de equilíbrio termodinâmico) em contato com uma corrente contínua de ar em condições adiabáticas (só a troca térmica ente o ar e essa massa de água), desprezando-se os efeitos de radiação térmica nessa troca. Essa temperatura do bulbo úmido é menor ou no máximo igual em relação à temperatura do bulbo seco. Isso ocorre porque quando é exposta à uma corrente de ar não saturado (umidade realtiva menos do que 100%), parte da água presente na gaze evapora em, com isso, a temperatura abaixa. Para entender esse fenômeno de resfriamento devido à evaporação, podem-se mencionar dois exemplos quotidianos: quando você sai da piscina tem uma sensação repetina de frio, pois vaporiza parte da água impregnada na sua pele; e quando você toma água guardada numa moringa de barro essa água é mais fresca, pois, como o barro é poroso, parte da água armazenada exsuda (transpira) pelas paredes (a superfícieexterna da moringa parece “suada”) e evapora no ar, isso faz com que a água da moringa seja resfriada.
	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.
	Vale lembrar que a transferência de massa da água para o ar ocorre porque duas fases em contato tendem a entrar em equilíbrio. A evaporação de parte da água é responsável por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre o ar e a água é responsável pelos outros 20% do resfriamento. As vazões mais altas de ar e água provocam uma convecção mais intensa, até um determinado limite, elevando os coeficientes globais de calor e massa. O aumento das vazões de ar e água causa um aumento da turbulência, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vazões de água e ar tornam-se muito altas, o contato entre a água e o ar torna-se ineficiente podendo ocorrer excessivo arraste de água pela corrente de ar ou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo tipo de recheio empregado. 
 Classificação
As torres de resfriamento podem se classificar de acordo com o processo de dissipação de calor da água; conforme o processo de fornecimento de ar; ou de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água. A seguir pode-se conhecer melhor sobre cada uma dessas classificações.
Classificação de acordo com o processo de dissipação de calor da água:
Resfriamento evaporativo (wet cooling towers)
Nas torres de resfriamento evaporativo, 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. 
Resfriamento não-evaporativo (dry cooling towers)
As torres de resfriamento não-evaporativas 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. 
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; são as chamadas wet-dry cooling towers. A Figura 2 mostra um esquema deste tipo de torre de resfriamento.
Figura 2 - Torre de resfriamento com secção evaporativa e não evaporativa.
Classificação conforme o processo de fornecimento de ar:
Nas torres com circulação natural, o movimento das correntes do ar pode ser graças aos ventos (torres atmosféricas) ou por diferenças de densidades (hiperbólica). Nas torres com aspiração natural, o primordial é a temperatura ambiente do ar. Caso a temperatura do ar aumente ao longo do dia, o funcionamento da torre poderá estar comprometido. Este tipo de torre de resfriamento é geralmente utilizado em plantas de porte elevado, como usinas termoelétricas.
Circulação natural (Torre de Resfriamento com tiragem natural)
Nas aplicações de maior porte, como no resfriamento da água de arrefecimento usada nas usinas termelétricas, são frequentemente adotadas as torres de resfriamento com tiragem natural. Na Figura 3 aparece um exemplo de torre de resfriamento com tiragem natural dominando toda a instalação de uma usina termelétrica.
Figura 3: Torre de resfriamento hiperbólica em operação na usina de Heilbronn (Alemanha)
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 penetra na torre através de um anel em torno da base, que está a aproximadamente 7,5 m de altura; depois ele flui para cima através do material de recheio sobre o qual se distribui a água quente e, finalmente, passa pela chaminé. A água que vai ser resfriada vem da usina e é distribuída sobre o topo do recheio. Depois essa água escorre sobre o material – usualmente ripas de madeira ou de plástico – que tem uma profundidade de mais ou menos 9 m, e cai no tanque que fica embaixo da torre. 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. Este penacho contém os sais de tratamento da água e os produtos de corrosão da usina, o que pode provocar problemas uma vez que sejam depositados sobre a superfície; o penacho que vapor também pode contribuir para provocar nevoeiros e chuvas extras na direção a jusante do vento (nos climas frios contribui para aumentar o depósito de gelo sobre as estradas). O controle destes problemas ecológicos é tão parte do projeto sob a responsabilidade do engenheiro quanto às previsões sobre o desempenho térmico e/ou mecânico da torre.
Circulação forçada (Torre de Resfriamento com tiragem forçada ou induzida)
	 Nas instalações de resfriamento de água de porte intermediário usam-se, habitualmente, torres com tiragem forçada ou induzida. As torres de tiragem induzida 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. 
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. O enchimento é constituído por ripas de madeira, acopladas sem pregos. Os eliminadores de arraste são chicanas de madeira por onde passa o ar antes de entrar no ventilador; contribuem para reduzir o arraste da água e assim diminuem a névoa do ar descarregado pelo ventilador. A torre pode ter 15 m de largura por 9 m de altura com uma ventinha de 4,3 m de diâmetro. Podem ser construídas várias unidades lado a lado, formando uma única torre comprida. Nas torres de porte um pouco menos é possível usar o escoamento diretamente em contracorrente. Na Figura 4 está um desses tipos de torres.
Figura 4: Conjunto de Torres de Resfriamento com escoamento duplo e tiragem reduzida.
Classificação de acordo com o tipo de escoamento do ar em relação ao da água:
O resfriamento de água pelo contato direto com o ar, evaporando parte da massa de água na região do enchimento da torre, pode ocorrer a partir de duas configurações de trajetórias destes dois fluidos. Na configuração corrente cruzada a água cai verticalmente através do enchimento enquanto o ar oatravessa horizontalmente. Na configuração contra corrente, enquanto a água cai, o ar sobe na vertical através do enchimento.
Fluxo cruzado
Na configuração de 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.
Figura 5 - Torre de resfriamento de fluxo cruzado com aspiração induzida.
Quanto à alimentação de água, para as torres de resfriamento do tipo evaporativo, a água quente é distribuída no interior da torre de resfriamento por gravidade ou através de bicos pulverizadores (sprays). Para o sistema de distribuição por gravidade, a água quente é coletada em uma bacia no topo da torre, aberta para a atmosfera, com orifícios por onde a água passa para o interior da torre; esse sistema é normalmente utilizado em torres de fluxo cruzado.
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, o primeiro tem maior eficiência de resfriamento decorrente da grande superfície de contato entre água e ar, porém não é aplicável a águas de baixa qualidade, (alta concentração de sólidos, materiais aderentes, nutrientes de biolimo etc.). O enchimento tipo respingamento, embora com eficiência de resfriamento bem mais baixa, tem a vantagem de tolerar águas com baixa qualidade em consequência do impacto das gotas de água contra as barras que o compõem e que remove continuamente as partículas aderidas. 
A utilização de torres contracorrente para águas de baixa qualidade tornou-se economicamente viável quando a empresas começaram a desenvolver o enchimento tipo respingamento com perfis triangulares extrudados em PVC. Este enchimento, de eficiência comprovada, além de ter todas as vantagens do enchimento tipo respingamento tradicional oferece baixa resistência ao fluxo vertical ascendente de ar sendo, portanto, plenamente utilizável em torres contra corrente, termicamente as mais eficientes. 
Comparando as torres contra corrente e corrente cruzada, podemos destacar algumas vantagens adicionais das torres contra corrente, como: Maior capacidade de troca térmica por unidade de volume de enchimento, resultando em menores áreas ocupadas; Permite a escolha entre enchimentos tipo filme ou tipo respingamento; Menor altura de entrada de ar resultando em menor sensibilidade à ação dos ventos e baixa possibilidade de recirculação de ar, o que pode comprometer o desempenho da torre. A recirculação ocorre frequentemente em torres de corrente cruzada em conseqüência da grande altura da entrada de ar e a proximidade entre os pontos de aspiração e descarga do ar; Menor altura de entrada de água quente reduzindo os gastos de bombeamento, o que torna o balanço global de energia favorável, quando analisados em conjunto os consumos das bombas e dos ventiladores; Construção mais baixa e mais compacta; A obra civil bem mais simples e econômica, permitindo maior facilidade na pré fabricação de elementos estruturais; Montagem e manutenção mais simples;
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. A configuração de uma torre contracorrente é mostrada nas Figuras 6 e 7.
Figura 6 - Torre de resfriamento em contracorrente com aspiração forçada
Figura 7 - Torre de resfriamento em contracorrente com aspiração induzida.
A Figura 6 e a Figura 7 mostram, também, torres de resfriamento do tipo com aspiração mecânica forçada e induzida, respectivamente. 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.
No sistema de 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. A Figura 8 mostra detalhamento das partes de uma torre do tipo contracorrente.
Figura 8 - Representação esquemática das partes de uma torre de resfriamento de água em contracorrente com aspiração induzida.
Um resumo das classificações das torres de resfriamento de água pode ser observado na Tabela 1.
	Tipo de Resfriamento
	Escoamento
	Tiragem
	Evaporativo
	Fluxo cruzado
	Natural
	
	
	Mecânica
	
	Fluxo Contracorrente
	Natural
	
	
	Mecânica
	Não evaporativo
	-
	Natural
	
	
	Mecânica
	Não evaporativo e evaporativo
	Concorrente
	Mecânica
Tabela 1- Classificação das torres de resfriamento
Definições Relevantes
Para entender como se comporta o processo de projeto de uma torre de resfriamento é necessário conhecer um pouco as definições de alguns dos termos, parâmetros de projeto e de desempenho mais utilizados em torres de resfriamento.
A umidade do ar na entrada e saída da torre, por exemplo, são parâmetros importantes para o desempenho e dimensionamento de uma torre de resfriamento. A relação entre a massa de vapor d’água e a massa do ar seco é denominada umidade específica (ω). A razão da massa molar da água (18,016 gramas/mol de água) pela massa molar do ar (28,97 gramas/mol de ar) é igual a 0,622. Sabendo que a umidade depende apenas da pressão parcial de vapor na mistura, quando a pressão total da mistura ar vapor d’água (Pt) é fixa e que a pressão parcial do vapor d’água (Pv) é igual ao produto da umidade relativa pela pressão de saturação do ar (Pg) a uma dada temperatura. A Equação 1 mostra o cálculo da umidade específica do ar
ω = 0,622 . 
Equação 1
A umidade absoluta é a quantidade de vapor presente na mistura ar-vapor, sendo expressa em kg de vapor d’água por m³ de ar.
A umidade relativa (ϕ) é a relação entre a umidade absoluta existente e a máxima umidade absoluta a uma dada temperatura, quando o ar estiver saturado de vapor.
A quantidade de calor por unidade de tempo a ser dissipada pela torre de resfriamento é chamada de carga térmica. A carga térmica é imposta pelo processo e afeta diretamente as dimensões de uma torre de resfriamento.
A bacia coletora situa-se abaixo da torre de resfriamento, onde a água resfriada é coletada e bombeada novamente para a área de processo.
A diferença entre a temperatura da água quente (alimentação da torre) e a temperatura da água fria (saída da torre) é chamada de range.
A diferença entre a temperatura da água fria (saída da torre de resfriamento) e a temperatura de bulbo úmido do ar na entrada da torre é definida como approach.
A vazão de água adicionada ao sistema para repor as perdas de água por evaporação, arraste e purga é chamada de reposição. Chama-se de arraste (drift) a perda da água de circulação da torre através de gotículas arrastadas pela descarga de ar. O descarte de parte da água do sistema para controle de concentração de sais e outras impurezas é chamado purga.
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. Os eliminadores de gotículas 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, permanecendona torre de resfriamento.
Uma definição relevante é a de temperatura de bulbo úmido, ela certamente é uma das mais importantes e complexas, exigindo uma discussão mais ampla em relação às demais. Teoricamente, a 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.
A temperatura de bulbo úmido 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.
Outra definição tão importante quanto à da temperatura de bulbo úmido é a da temperatura de saturação adiabática. A temperatura de saturação adiabática é a temperatura na qual a mistura vapor de água e ar torna-se saturada, em um processo adiabático. A Figura 9 mostra um saturador adiabático. O ar entra com umidade inicial e temperatura inicial . O ar que passa através da câmara isolada, sendo resfriado e umidificado. Admitindo-se que o contato gás-líquido é suficiente para que ar e água fiquem em equilíbrio, deste modo o ar que deixa a câmara está saturado a uma temperatura , ou seja, à mesma temperatura da água na câmara.
Figura 9 – Saturação adiabática
A Figura 10 mostra um esquema de um psicrômetro giratório. Este 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.
Figura10 – Esquema de psicrômetro giratório
Outro termo usado para descrever as misturas de vapor e gás é o ponto de orvalho. Esse é o ponto em que principia a condensação quando é alterada a pressão, ou a temperatura, de um sistema de composição constante. Usualmente a temperatura se reduz em pressão constante, de modo que se obtém a temperatura do ponto de orvalho.
Um resumo dos conceitos sobre umidade pode ser observado na Tabela 2.
	Conceito
	Significado
	Unidades
	Umidade absoluta
	Teor de vapor num gás
	Massa do vapor/ massa do gás não-condensável
	Umidade molar
	Teor de vapor num gás
	Moles do vapor/ moles do gás não-condensável
	Umidade relativa ou saturação relativa
	Razão entre a pressão parcial do vapor e a pressão parcial do vapor de saturação
	atm/ atm, ou fração mola/ fração molar, expressa em porcentagem
	Umidade percentual ou saturação percentual
	Razão entre a concentração do vapor e a concentração do vapor de saturação, com as concentrações expressas em razões molares
	Razão molar/razão molar, expressa em porcentagem
	Volume úmido molar
	Volume de 1 mol (1 lb-mol) de gás seco mais o do vapor que lhe está associado
	m³/mol (ou ft³/lb-mol) de gás seco
	Calor úmido molar
	Calor necessário para elevar a temperatura de 1 mol (1 lb-mol) de gás seco mais o vapor associado de 1°C (ou de 1°F)
	J/°C.mol (ou Btu/°F.lb-mol) de gás seco
	Temperatura de saturação adiabática
	Temperatura de saturação do gás,num processo adiabático
	°C, K, °F ou °R
	Temperatura de bulbo úmido
	Temperatura atingida, em regime permanente, pelo bulbo úmido de um termômetro sujeito a condições padronizadas.
	°C, K, °F ou °R
	Temperatura do ponto de orvalho
	Temperatura em que principia a condensação do vapor quando a fase gasosa é resfriada sob pressão constante
	°C, K, °F ou °R
Tabela 2 – Definições dos conceitos sobre umidade
2.5.Balanço de massa e de 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. 
Nos balanços de massa e de energia mostrados pelas Equações 2 a 10 (apresentadas a seguir), considera-se que a vazão de reposição é igual à vazão da água evaporada. No entanto, existem outras perdas de água, por arraste ou purgas; neste caso, a vazão inclui as perdas por evaporação, purgas e por arraste. Em condições normais de operação as perdas por evaporação e arraste são inferiores a 2 %. No entanto, existem algumas referências que consideram que as perdas de água podem atingir até 10% da vazão de água que circula no sistema.
O balanço de massa de água considerando-se como volume de controle o sistema de resfriamento indicado na Figura 11.
Figura 11- Volume de controle e as taxas de fluxo de ar e água de uma torre de resfriamento de água
Em regime permanente, o balanço de massa de água expresso na Figura 11 pode ser expresso pela Equação 2.
 = .( - )
Equação 2
Por conveniência, as torres de resfriamento são analisadas com base de 1m² da área interna de sua base. Portanto, onde que é a taxa de fluxo de ar (kg/m².s), e são as umidades específicas do ar de entrada e de saída da torre de resfriamento, respectivamente, e é a taxa de fluxo de água de reposição (kg/m².s).
A Figura 11 apresenta o volume 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. A água proveniente do tanque ou bacia da torre (, ) já resfriada é bombeada e passa por um trocador de calor de contato indireto, onde ocorre o aumento de sua temperatura da água (, ), assim retorna para a torre. A água de reposição (, ) é incrementada ao sistema para compensar a principal perda que é dada pela evaporação de parte da água que circula no sistema por causa da saturação do ar que passa através da torre.
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:
Q + . c . = ( - )
Equação 3
Onde, Q é a taxa de fluxo de calor, c é o calor específico da água de resfriamento e H é a entalpia específica do ar. As taxas de fluxo de ar e de água ( e ) e as umidades específicas ( - ) na entrada e saída da torre são consideradas constantes.
A Equação 4 apresenta o balanço de energia que também pode ser expresso em termos da variação da temperatura da água.
Q = . c . ( - ) + . c . ( - )
Equação 4
Onde, Q é a taxa de fluxo de calor (J/m².s) e é a taxa de fluxo de água na saída da torre (kg/m².s).
Por conveniência, supõe-se que a secção transversal da torre de resfriamento seja constante e igual a 1,0 m².
Substituindo-se a Equação 4 na Equação 3, tem-se:
 ( - ) = . c . ( - ) + . c . 
Equação 5
Dividindo a Equação 5 pela Equação 2, obtém-se:
 . = . c . ( - ) + . c . 
Equação 6
Combinando-se a Equação 6 com a Equação 4, tem-se:
 = 
Equação 7
A Equação 7 mostra a quantidade de água de reposição necessária para uma determinada condição de entrada (, ) e condição de saída (, ) para uma torre de resfriamento. A transmissão de calor numa torre de resfriamento dá-se através da soma das parcelas de calor latente e calor sensível:
Q = + 
Equação 8
O calor latente pode ser expresso por:
 = . λ
Equação 9
Onde, λ é o calor latente médio de vaporização da água na torre. Combinando-se as Equação 8 e 9 com a Equação 4, tem-se:
 = . c . ( - ) + . c . ( - ) - . 
Equação 10
Dividindo-se a Equação 10 pela 9, tem-se:
 = 
Equação 11
Combinando-se a Equação 11 com as Equação 5 e a Equação 2, e desprezando-se o termo (- . c . ) da Equação 11, tem-se
 ≡ . – 1
Equação 12
A relação acima mostra que a razão entre o calor sensível eo 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.
2.6.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 12 apresenta a transferência de calor em uma gota de água.
Figura 12 - Representação esquemática da transferência de calor em uma gota d'água.
A Figura 13 esquematiza o sentido de escoamento e o contato da água e do ar ambiente no enchimento de uma torre de resfriamento de água.
Figura 13 - Representação esquemática do contato da água-ar no enchimento da torre.
Entre a gota de água e a massa de ar, supõe-se a existência de uma película água-ar, separada por uma interface. Muitos autores consideram a interface como uma camada fina de ar saturado com um gradiente de temperatura através dela. Eles admitem que esta camada tenha as condições médias (Ti, Hi, ωi) e que não ocorre resistência através dessa interface e, ainda, que as duas fases estão em equilíbrio, conforme esquema apresentado na Figura 14.
Figura 14 – Película de água e do ar em um processo de resfriamento numa torre
As condições de interface são difíceis de serem determinadas, mas essa dificuldade pode ser contornada, admitindo-se que a película de água e a camada interfacial têm a mesma temperatura da massa de água. Uma vez que a resistência da película à transferência de massa é pequena, pode-se considerar, de fato, que Ti=Ta.
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, conforme ilustra a Figura 15.
Figura 15 – Fluxo da transferência de calor entre as interfaces de água e ar
A Figura 16 representa o topo e o fundo de uma torre de resfriamento com escoamento de água - ar em contracorrente. O fundo está representado pela Figura 16 (a); neste ponto, tem-se o ar entrando com uma temperatura que pode ser maior que a temperatura da água, mas a água está saindo resfriada, pois a temperatura da interface é menor que a temperatura da média de água. A umidade na interface é maior do que a média do gás, isto constitui a força motriz para a transferência de massa do vapor d’água para o ar.
Figura 16 - Perfis de temperatura, umidade e fluxos de calor numa torre de resfriamento.
Há casos em que, no fundo da torre, a temperatura do ar que está entrando é menor que a temperatura da água que está saindo, conforme a Figura 16 (b), mas ainda acima da temperatura da interface; com isso, continua havendo transferência de calor sensível através do filme de gás embora em menor escala, pois a força motriz diminui, isto é, reduz a variação de entalpia.
A Figura 16 (c) representa o topo de uma torre de resfriamento. No topo, a água de entrada está “quente” porque vem do processo e o ar está em princípio com umidade relativa “elevada”, pois já percorreu todo o enchimento da torre, trocando calor e massa com a água em contracorrente. Mas estes dois fluídos, ao entrarem em contato, provocam o seguinte fenômeno. A água que está com temperatura maior do que a temperatura do ar cede calor para o ar, elevando a sua temperatura e sua pressão de vapor, diminuindo consequentemente a umidade relativa. Com isto, por outro lado, ocorre a evaporação da parte de água em contato com este gás, resfriando assim a água líquida.
A seguir será apresentada a operação de uma torre de resfriamento de água por meio de um gráfico, considerando que por meio do método e as simplificações de Merkel, a linha de operação da torre contracorrente é determinada pela Equação 13, que relacionando a variação de entalpia na fase gasosa com a variação de entalpia da água.
 = + . ( - )
Equação 13
A Figura 17 esquematiza por meio de um gráfico a operação de uma torre de resfriamento de água.
Figura 17 - Esquema de operação e sua visualização gráfica de uma torre de resfriamento de água.
A curva de equilíbrio representada pela Figura 17 é obtida a partir de cartas psicrométricas. A linha de operação representada pelo segmento de reta AB contém os valores de entalpia da mistura ar-vapor, correspondentes à temperatura do líquido ao longo da coluna. Esta linha é traçada a partir das condições terminais (entrada-saída), ou a partir do coeficiente angular . As condições de interface são dadas pela curva de equilíbrio e podem ser calculadas a partir da relação expressa na Equação 14.
- = 
Equação 14
Onde: H’ é a entalpia de equilíbrio e T’ e a temperatura de equilíbrio entre as fases.
O ponto B na Figura 17 representa a entalpia do ar que sai da torre em função da temperatura de entrada da água. Uma reta partindo do ponto B e tendo coeficiente angular igual a - intercepta a curva de equilíbrio nas condições de interface do ponto B. O ponto I representa as condições na interface. Quando se despreza o efeito da resistência da película líquida, - tende ao infinito; este caso é representado pelo ponto D na Figura 17. No ponto D, a temperatura de interface é igual à temperatura no ponto B. Para o ponto A, as condições de interface são dadas pelo ponto J, considerando-se a resistência da película de água; desconsiderando-se este efeito, a temperatura da água é a mesma da interface, situação mostrada no ponto E.
A relação - é obtida experimentalmente, assim como os outros coeficientes de transferência de calor e massa.
Aumentando-se a vazão de água ou diminuindo-se a vazão de ar, aumenta-se a inclinação da linha de operação e a reta AB tende se aproximar da linha de saturação. Quando a linha de operação aproxima-se da linha de saturação, a força motriz que é a diferença da entalpia da interface (Hi) pela entalpia do ar (), esta força do sistema diminui. Assim aumenta-se o número de unidades de transferência global (NTU) e consequentemente aumenta também a altura da torre. De modo contrário, quando diminui a vazão de água ou aumenta-se a vazão de ar, ocorre o inverso; a reta de operação distancia-se da linha de saturação, diminui-se o NTU e a altura da torre também é reduzida.
A altura de uma torre de resfriamento é inversamente proporcional à área compreendida entre a reta de operação e a linha de saturação. A área entre a linha de operação e a linha de saturação são definidas na Figura 17 pelos pontos A, B, J e I.
2.7.Projeto de uma Torre de resfriamento
O projeto de uma torre de resfriamento, como por exemplo, uma torre de tiragem natural (Figura 2), é complicado pelo fato de a velocidade do gás não ser diretamente controlada. O ar úmido e quente que sai do enchimento da torre é menos denso que o ar frio e mais seco que entra no enchimento. Então o ar é deslocado para cima, através da chaminé hiperbólica, pela força da gravidade que atua sobre os fluidos da torre. Como é natural, a intensidade do processo de transferência, por sua vez, depende da velocidade de escoamento.
É grande o esforço desenvolvido pelos engenheiros para deduzir e resolver o conjunto de equações simultâneas que descrevem:
a) O efeito da umidade e da temperatura sobre a densidade do ar;
b) A transferência de calor e de massa no recheio da coluna;
c) 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.
	Estes métodos de projeto exigem o uso de equações de transferência como as que estão na Tabela 3. São poucos os dados existentes sobre o desempenho de recheios de torres de resfriamento de porte industrial. Os dados publicados referem-se a torres providas de gralhas respingantes. No entanto, existem dados mais modernos referentes a recheios de materiais plásticos, muitas vezespatenteados, que são mantidos em segredo pelos fabricantes. 
	N°
	Equipamento
	Processo e observações
	Domínio das vazões
	Equação
	1
	Diâmetro da torre 8 in, anéis de Rasching
	Resfriamento de líquido com ar e água, metanol, benzeno, butirato de etila; kga corrigido para efeitos terminais e independentes de GL quando GL está entre 1.600 e 5.000
	 = 1600
 = 150 - 500
	 = 0,486 
	2
	Diâm. da torre 10 in; anéis de Rasching de 15, 25 e 35 mm, numa profundidade de 12,5 in
	Umidificação e resfriamento, resfriamento de líquido e desumidificação com ar
	 = 200 - 4160
	= 0,0155GV’
	3
	Torre quadrada de 21,5 in, selas de Berl de 1½ in
	Umidificação e resfriamento com ar-água; corrigido para efeitos terminais
	 = 120 - 6800
	= 0,0431
	4
	Diâmetro da torre de 4 in, esferas de ½ in
	Resfriamento de líquido com ar-água
	Dp. /μ = (304 – 927)
 = 85 - 1895
	 = (13,4/).( Dp. /μ
	5
	Torre quadrada de 6 ft, com altura deo enchimento de 11 ft e 3 in; ripas de madeira, de por 2 in, dispostas em paralelo, com 15 in de distância entre cada fileira
	Refriamento de líquido com ar-água
	 = 350 - 3000
	 = 0,0068.
	6
	Torre de 41 por 23 in, com altura do enchimento de 41 in; ripas de madeira com borda inferior serrilhada, disposta com afastamento entre os centros; 18 bocais de aspersão
	Resfriamento de líquido e desumidificação com ar-água
	 = 880 - 1500
	 = 0,000010,003690,00458 + 10,7
	7
	Torre de borrifos, com diâmetro de 31,5 in e altura de 52 in; 6 bicos cônicos de aspersão
	Resfriamento de líquido e desuminidificação com ar-água
	 = 300 - 800
	 = 
	8
	Placa perfurada; 83 de infuros em arranjado triangular comdistância de in entre os centros.
	Umidificação e resfriamento com ar-água
	 = 670 - 1920
	-
Tabela 3 – Velocidade de transferência de massa, obtidas experimentalmente,no contato de um líquido puro com um gás (Todos os dados em unidades inglesas)
Conclusão
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 duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do “enchimento” da torre, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico (entre outros), o que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água - ar.
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.