Relatório Torre de Resfriamento

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FACULDADE METROPOLITANA DE GUARAMIRIM
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
CRISTIAN GERSON
MARCIO FERRARI
WESLY VOLPI
RELATÓRIO DE PRÁTICA DE LABORATÓRIO
Torre de Resfriamento
Guaramirim
2016
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Bancada didática torre XP1510-9............................................................................. 5
Figura 2 - Bomba centrífuga ..................................................................................................... 5
Figura 3 - Tubulação da bancada............................................................................................... 6
Figura 4 - Carta psicométrica..................................................................................................... 7
Figura 5 - Sensor 01- Entrada da torre....................................................................................... 7
Figura 6 - Sensores 02, 03, 04 – Recheio da torre......................................................................8
Figura 7 - Sensor 05 – Saída do reservatório/entrada da bomba................................................8
Figura 8 - Sensor 06 – Saída da bomba......................................................................................9
Figura 9 - Thermo Anemômetro.................................................................................................9
Figura 10 - Thermo-higrômetro................................................................................................10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dados sem o aquecedor de passagem ligado...........................................................10 
Tabela 2 – Dados com o aquecedor de passagem ligado......................................................... 11
Tabela 3 – Vazão de ar que deixa a torre em m³/h................................................................... 11
Tabela 4 – Vazão de água X Temperatura............................................................................... 12
Tabela 5 - Vazão de água constante X Vazão do ar constante..................................................13
Tabela 6 - Carga térmica gerada pela bomba............................................................................13
Tabela 7 - Estado do ar sem aquecedor de passagem ..............................................................13
Tabela 8 - Estado do ar com o aquecedor de passagem............................................................14
Tabela 9 - Approach e eficiência com aquecedor de passagem ligado.....................................14
Tabela 10 - Approach X Velocidade do ar na torre..................................................................15
Tabela 11 - Eficiência X Velocidade do ar na torre..................................................................15
Tabela 12 - Determinação do perfil de temperatura..................................................................16
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	4
1.1 objetivo geral	4
1.2 objetivos específicos	4
2 MATERIAIS E MÉTODOS	5
2.1 MATERIAIS	6
2.1.1 Carta Psicométrica	6
2.1.2 Sensores de Temperatura...............................................................................................7
2.1.3 Thermo Anemômetro......................................................................................................9
2.1.1 Thermo-Higrômetro......................................................................................................10
2.2 MÉTODOS.........................................................................................................................10
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO	11
4 CONCLUSÃO	17
REFERÊNCIAS	18
1 INTRODUÇÃo
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. (TREYBAL, 1980)
Expondo-se adequadamente água ao ar numa torre de resfriamento, é possível resfriar a água à temperatura de bulbo úmido do ar, esta será mais baixa que a temperatura ambiente. O resfriamento acontece pela evaporação de uma pequena porção de água, o calor latente sendo fornecido pela variação do calor sensível do restante. A ênfase está na evaporação de água somente suficiente para resfriar o restante. Numa torre de resfriamento a variação do calor sensível é a quantidade de interesse principal. (BLACKADDER; NEDDERMAN, 2004)
1.1 objetivo geral
Conhecer e familiarizar-se com os mecanismos de construção de uma torre de resfriamento.
1.2 objetivos específicos
Coletar os dados necessário para determinação de analises especificas em torres de resfriamento
Determinação experimental das condições ótimas de funcionamento da torre disponível no laboratório, variando a vazão de ar ambiente para um dado par de temperatura e vazão de água na entrada da mesma.
Determinar carga térmica da bomba, estado do ar, “approach” e eficiência da torre.
Determinar o perfil de temperatura em uma torre de resfriamento.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Utilizando a bancada didática torre XP1510-9, da LABTRIX® foram realizadas 18 medições das quais foram coletados dados em condições diferentes, suficientes para determinação dos parâmetros citados no objetivo específico.
A bancada possui um ventilador de exaustão com regulagem de potência, reservatório de água e uma bomba centrífuga marca Mérito com vazão máxima de 9 L/min.
Figura 1: Bancada didática torre XP1510-9
 Fonte: AUTOR (2016).
Figura 2: Bomba centrífuga
Fonte: AUTOR (2016).
	Após a saída da bomba a bancada possui uma válvula gaveta para ajuste de vazão, logo acima um rotâmetro para a visualização da vazão e no topo da tubulação um aquecedor elétrico para variação de temperatura da água na entrada da bomba.
Figura 3: Tubulação da bancada
 Fonte: MAIARA GOLL (2015).
2.1 MATERIAIS
Na bancada didática torre XP1510-9, da LABTRIX®, foram utilizados os seguintes equipamento para coleta de dados:
2.1.1 Carta Psicométrica
Um engenheiro alemão chamado Richard Mollier inventou um método gráfico de se demonstrar as propriedades de várias misturas de ar com vapor de água. O gráfico de Mollier ou Carta Psicrométrica.
Figura 4: Carta psicométrica
Fonte: CASTRO SILVA (2013).
2.1.2 Sensores de temperatura
A torre possui 6 sensores de temperatura instalados e identificados com marcações de 1 à 6 onde:
Sensor 01: Está no topo da torre, na entrada de água.
Figura 5: Sensor 01- Entrada da torre.
Fonte: AUTOR (2016).
Sensores 02, 03, 04: Estão na primeira, segunda e terceira secção do recheio da torre, respectivamente.
Figura 6: Sensores 02, 03, 04 – Recheio da torre.
Fonte: AUTOR (2016).
Sensor 05: Está na saída do reservatório da torre, entrada da bomba
Figura 7: Sensor 05 – Saída do reservatório/entrada da bomba.
Fonte: AUTOR (2016).
Sensor 06: Está na saída da bomba.
Figura 8: Sensor 06 – Saída da bomba.
Fonte: AUTOR (2016).
2.1.3 Thermo Anemômetro
O termo anemômetro da marca AKSO modelo AK830 é utilizado para verificação de condicionadores de ar, sistemas de aquecimento e em áreas externas, assim como na meteorologia e na agricultura para verificação das condições climáticas para aplicação de defensivos químicos. Realiza medições de temperatura de bulbo úmido e velocidade do vento. 
O medidor de caudal fica acoplado no topo da saída do ventilador da torre. 
Figura 9: Thermo Anemômetro
Fonte: AUTOR (2016).
2.1.4 Thermo-Higrômetro 
O termo-higrômetro digital é um instrumento de medição das temperaturasinterna, externa  e  da  umidade  relativa  do  ar  no  ambiente. Indica ponto de orvalho (dew point) e possui registro de máximas e mínimas. Mostra temperatura e umidade simultaneamente.
Figura 10: Thermo-higrômetro
Fonte: AUTOR (2016).
2.2 MÉTODOS
	A torre é acionada por um disjuntor em seu painel frontal onde começa a circulação da água no sistema pelo trabalho da bomba. Sem o aquecedor de passagem ligado foram registradas 9 medições alterando entre vazão de água e velocidade do vento.
Tabela 01: Dados sem o aquecedor de passagem ligado.
	
	S 01 T(°C)
	S 02 T(°C)
	S 03 T (°C)
	S 04 T(°C)
	S 05 T (°C)
	S 06 T (°C)
	VAZÃO (L/min)
	VELOC. DO AR (m/s)
	Tbu (°C) ṗ
	UR (%)
	1°
	22,2
	 22,0
	 21,7 
	 21,4
	 21,6
	 21,9
	 4
	 0,36
	 21,5
	70,4
	2°
	21,6
	21,5
	21,2
	 20,8
	 21,6
	 21,5
	 4
	 0,89
	 21,3
	72,1
	3°
	21,0
	20,8
	20,6
	19,9
	21,1
	21,0
	 4
	2,00
	20,7
	71,8
	4°
	20,1
	20,0
	19,9
	19,8
	20,5
	20,5
	8
	0,36
	20,2
	85,1
	5°
	19,8
	19,7
	19,5
	19,5
	20,7
	20,5
	8
	1,50
	20,5
	81,8
	6°
	19,3
	19,3
	19,2
	18,9
	20,4
	20,1
	8
	1,80
	20,2
	80,4
	7°
	18,9
	 18,9
	 18,9 
	 18,8
	 19,9
	 19,7
	 9
	 0,26
	 19,9
	82,7
	8°
	18,7
	18,6
	18,6
	18,4
	19,6
	19,9
	9
	1,12
	 19,7
	85,8
	9°
	18,3
	18,3
	18,2
	18,1
	19,4
	19,2
	9
	1,20
	 19,1
	72,9
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
Logo após, foi acionada o aquecedor de passagem que aumenta a temperatura da água de entrada na torre e realizadas 9 medições alterando entre vazão de água e velocidade do vento.
Tabela 02: Dados com o aquecedor de passagem ligado.
	
	S 01 T(°C)
	S 02 T(°C)
	S 03 T (°C)
	S 04 T(°C)
	S 05 T (°C)
	S 06 T (°C)
	VAZÃO (L/min)
	VELOC. DO AR (m/s)
	Tbu (°C)
	UR (%)
	1°
	51,7
	50,5
	48,8
	47,0
	26,7
	29,0
	4
	0,33
	26,5
	89,2
	2°
	53,1
	51,2
	49,1
	46,4
	29,7
	32,7
	4
	1,15
	29,0
	93,8
	3°
	53,1
	50,5
	47,9
	44,2
	30,2
	33,2
	4
	2,00
	29,2
	99,9
	4°
	48,0
	46,2
	44,8
	43,5
	31,1
	33,8
	8
	0,49
	30,9
	99,9
	5°
	48,0
	46,5
	44,3
	42,2
	31,3
	34,5
	8
	1,45
	30,3
	99,9
	6°
	48,3
	45,4
	43,1
	41,0
	34,2
	34,1
	8
	1,88
	32,8
	99,9
	7°
	48,0
	46,2
	45,0
	43,9
	31,8
	34,7
	9
	0,29
	30,7
	99,9
	8°
	49,0
	45,9
	44,0
	42,0
	31,7
	34,8
	9
	1,45
	30,8
	99,9
	9°
	48,2
	44,7
	42,6
	40,5
	31,5
	34,1
	9
	1,90
	30,0
	99,9
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
No primeiro experimento foi determinado a vazão de ar que deixa a torre e a velocidade média do ar na torre sem o aquecedor de passagem ligado, ou seja com a água a temperatura ambiente, em 3 vazões de água e 3 velocidades de ar diferentes. Foram utilizados os dados da tabela 01.
Tabela 03: Vazão de ar que deixa a torre em m³/h.
Fonte: AUTOR (2016).
	Logicamente a vazão do ar não depende da vazão de água no sistema, apenas da potência do ventilador que determina a velocidade do ar. Entretanto a vazão de água no sistema juntamente com a vazão do ar influencia a eficiência do resfriamento.
Tabela 04: Vazão de água X Temperatura.
Fonte: AUTOR (2016).
Foram utilizados o 1°, 4° e 7° experimento da tabela 01 para e elaboração da tabela 04, onde esses dados específicos foram escolhidos para demonstrar a variação de temperatura apenas por influência da vazão, esses 3 experimentos tem vazão de ar muito próximos, sendo assim podemos considerar que toda alteração de temperatura é justificada pela vazão de água na torre. A linha vermelha, que equivale a vazão de água de 4 L/min demonstra uma inclinação mais íngreme até o 4 sensor e uma retomada de temperatura retilínea a partir do sensor 4, isso indica que com a vazão menor a troca térmica é maior dentro da torre, a carga térmica gerada na bomba é ínfima e linear. As linhas verde e roxa têm uma inclinação inicial menos íngreme, demostrando uma dissipação térmica menor, e a partir do quarto sensor a carga térmica gerada pela bomba é maior, já que é necessário um trabalho mecânico maior exercido pela bomba em deslocar mais fluido no mesmo intervalo de tempo.
Tabela 05: Vazão de água constante X Vazão do ar constante.
	S 01 T(°C)
	S 02 T(°C)
	S 03 T (°C)
	S 04 T(°C)
	S 05 T (°C)
	S 06 T(°C)
	VAZÃO (L/min)
	VAZÃO DO AR (m³/h)
	Tbu (°C)
	UR (%)
	22,2
	22
	21,7
	21,4
	21,6
	21,9
	4
	77,76
	21,5
	70,4
	21,6
	21,5
	21,2
	20,8
	21,6
	21,5
	4
	192,24
	21,3
	72,1
	20,1
	20
	19,9
	19,8
	20,5
	20,5
	8
	77,76
	20,2
	85,1
Fonte: AUTOR (2016).
	De acordo com a tabela 05, que usa os valores do experimento 1, 2 e 4 da tabela 01, onde foi comparado as temperaturas de saída mantendo a vazão de água constante e mantendo a vazão de ar na torre constante, mostra-se mais eficiente manter a vazão de água baixa e aumentar a vazão de ar na torre, conforme mostra a leitura do sensor 04, este fica no ultimo nível do recheio da torre, que seria o ponto máximo de resfriamento da torre. 
	Para mensurarmos a carga térmica que a bomba acrescenta no sensor de temperatura 06, sendo este o último sensor posicionado logo após a saída da bomba, o trabalho da bomba acrescenta um aumento de temperatura da água em 0,16 ºC em média.
Tabela 06: Carga térmica gerada pela bomba.
	S 05 T(°C)
	S 06 T(°C)
	VAZÃO (L/min)
	MASSA DE ÁGUA (Kg/s)
	q bomba (W)
	21,6
	21,9
	4
	0,06533
	0,081928
	20,7
	20,5
	8
	0,13066
	-0,10923
	19,6
	19,9
	9
	0,14700
	0,184338
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
Por se tratar de uma bomba de pequeno porte, a carga térmica gerada pelo trabalho da bomba é desprezível, como visto na tabela 06, onde o segundo valor se mostra negativo, o que indica de a bomba refrigerou o fluído.
Utilizando os dados da tabela 01, que competem ao experimento sem o aquecedor de passagem ligado, onde o primeiro experimento compete a parâmetros mais parecidos com a temperatura ambiente, com o auxílio da carta psicométrica podemos considerar o seguinte estado do ar ambiente durante o experimento.
Tabela 07: Estado do ar sem aquecedor de passagem.
	Tbs (ºC)
	Tbu (ºC)
	ea (KPa)
	es (KPa)
	UR (%)
	Ua (Kg/m³)
	E (Kgvapor/Kgar)
	Ṿ (m³/Kg)
	25,8
	21,7
	2,91
	2,71
	70,4
	0,2908
	0,0176
	0,865
	
	
	
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
	Com o aquecedor de passagem ligado temos o seguinte estado do ar ambiente:
Tabela 08: Estado do ar com o aquecedor de passagem.
	Tbs (ºC)
	Tbu (ºC)
	ea (KPa)
	es (KPa)
	UR (%)
	Ua (Kg/m³)
	E (Kgvapor/Kgar)
	Ṿ (m³/Kg)
	33
	32
	2,91
	3,93
	99,9
	0,148
	0,0176
	0,870
	
	
	
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
Assim como precisaríamos de um trocador de calor de comprimento infinito para igualar as temperaturas do fluido refrigerante com o refrigerado, precisaríamos de uma torre de tamanho infinito para igualar a temperatura do fluído refrigerado com a temperatura de bulbo úmido. Teoricamente, a menor temperatura possível que pode ser alcançado em uma torre de resfriamento é a temperatura de bulbo úmido.
	O Approach é a diferença entre a temperatura de saída da água e a temperatura de bulbo úmido sendo uma indicação de eficiência e determinante no dimensionamento deste equipamento. Para o experimento com a aquecedor de passagem ligado o approach equivale em média a 0,89, com eficiência de 95,65%.
	
Tabela 09: Approach e eficiência com aquecedor de passagem ligado.
	Veloc. do vento (m/s)
	Vazão do ar (m³/h)
	Veloc. Ar na torre (m/s)
	Temp. água 
entrada da torre (°C)
	Temp. água saída da torre (°C)
	Tbu (°C)
	Approach (°C)
	Eficiência (%)
	0,33
	71,280
	0,076
	51,7
	26,7
	26,5
	0,2
	99,21
	1,15
	248,40
	0,265
	53,1
	29,7
	29,0
	0,7
	97,10
	2,00
	432,00
	0,461
	53,1
	30,2
	29,2
	1,0
	95,82
	0,49
	105,84
	0,113
	48,0
	31,1
	30,9
	0,2
	98,83
	1,45
	313,200,159
	48,0
	31,3
	30,3
	1,0
	94,35
	1,88
	406,08
	0,433
	48,3
	34,2
	32,8
	1,4
	90,97
	0,29
	62,640
	0,067
	48,0
	31,8
	30,7
	1,1
	93,64
	1,45
	313,20
	0,334
	49,0
	31,7
	30,8
	0,9
	95,05
	1,90
	410,40
	0,438
	48,2
	31,5
	30,0
	1,5
	91,76
	
	
	
	
	
	
	
	
Fonte: AUTOR (2016).
A tabela 09 relaciona o approach e a eficiência, nela percebemos que o approach tendendo a zero indica uma ótima eficiência da torre, entretanto dois valore de approach idênticos podem ter eficiência diferentes, esse fato se deve a fórmula de eficiência que, de uma maneira genérica, pode ser representada como , onde x é a temperatura de entrada da agua que pode ser considerada uma constante, y é a temperatura de saída da água, esse valor quanto maior for mais favorecera a eficiência da torre, e o z é a temperatura de bulbo úmido, sendo z um denominador quanto menor for o a diferença resultante de x e z melhor também para a eficiência, então podemos dizer que o approach depende exclusivamente de uma única variável enquanto que a eficiência depende de duas, isso justifica o porquê dois valores idênticos de approach não necessariamente tem a mesma eficiência.
	
Tabela 10: Approach X Velocidade do ar na torre.
Fonte: AUTOR (2016).
Tabela 11: Eficiência X Velocidade do ar na torre.
Fonte: AUTOR (2016).
	As tabelas 10 e 11 demonstram que o aumento da velocidade do ar na torre é prejudicial tanto para o approach quanto para a eficiência.
	Com os dados dos sensores 02, 03 e 04 é possível criar uma curva de comportamento para a temperatura da agua dentro da torre. A tabela 12 expressa esse comportamento através dos dados da tabela 02.
Tabela 12: Determinação do perfil de temperatura
.
Fonte: AUTOR (2016).
	As curvas vermelhas e amarelas representam a vazão de 4 L/min, podemos perceber que a inclinação da curva e o seu comprimento é bem maior ao comparado com as curvas esverdeadas e azuladas, isso significa que a troca térmica é mais intensa e maior nessa vazão.
	As curvas azuladas representam vazão de 8 L/min e apresentam as mesmas tendências das curvas esverdeadas, que representam uma vazão de 9 L/min, indicando uma perda de eficiência com o aumento da vazão de água na torre.
	
4 CONCLUSÃO
Torres de resfriamento são utilizadas onde a perda do fluido refrigerado é aceitável no processo, geralmente as torres resfriam fluidos de refrigeração de leitos, dificilmente será o produto final que será resfriado em uma torre.
O custo moderado e o gasto de funcionamento de uma torre a tornam um equipamento versátil e acessível para empresas que não necessitam de um tratamento em seu fluido refrigerante ou não dependem de um prazo curto para o resfriamento.
No experimento foi possível perceber que condições externas afetam em muito a eficiência de uma torre, principalmente a umidade do local de instalação, grandes caudais de ar na torre beneficiam o seu funcionamento, e as estações do ano também refletem no seu funcionamento. Para um regime de trabalho mais eficiente, altas velocidades de vento não são indicadas de acordo com os resultados obtidos.
A nível de bancada, os resultados obtidos são satisfatórios para esboçar uma curva característica, entretanto a nível de projeto seria necessária outra simulação a nível de piloto. 
Na simulação sem o aquecedor de passagem ligado, os dados convergiam e apresentavam-se fisicamente inviáveis, onde em um momento a temperatura de saída da torre era menor que a de bulbo úmido. Esses valores esdrúxulos foram desconsiderados, no entanto, é possível reparar dados imprecisos nas curvas de alguns gráficos, onde os resultados que apresentavam uma certa linearidade mostram um comportamento atípico ao esperado. Uma calibração e manutenção periódica dos sensores e demais equipamentos da torre aumentariam a confiabilidade do aparelho.
Ademais a pratica foi extremamente satisfatória e demonstrou visivelmente a diferença de uma troca térmica por calor sensível e latente.
REFERÊNCIAS
TREYBAL, R.E. Mass Transfer Operations. Edit. McGraw-Hill Kogakusha Ltda., 1980.
BLACKADDER, D. A.; NEDDERMAN, R. M. Manual de Operações Unitárias. Hemus, 2004. 271 p.
KREITH, Frank.; MANGLIK, M. Raj.; BOHN, S. Mark. Princípios de Transferência de Calor. 7ª Edição.São Paulo: Cengage Learning, 2014. 
Plan1
	VAZÃO DE ÁGUA (L/min)	VELOCIDADE DO AR (m/s)	VAZÃO DO AR (m³/h)	VELOCIDADE MÉDIA DO AR (m/s)
	4	0.36	77.76	20.2176
	4	0.89	192.24	49.9824
	4	2	432	112.32
	8	0.36	77.76	20.2176
	8	1.5	324	84.24
	8	1.8	388.8	101.088
	9	0.26	56.16	14.6016
	9	1.12	241.92	62.8992
	9	1.2	259.2	67.392