Torres de Resfriamento

Definição: Torre de Resfriamento Evaporativo ou Torre de Arrefecimento: É um equipamento / dispositivo utilizado nas plantas industriais, e em todo o processo que se faz necessário em algum estágio a dissipação de calor (transferir calor residual de processo para a atmosfera).

O princípio de operação de uma Torre de Resfriamento é a troca simultânea de massa e calor, com a grande vantagem de reduzir o desperdício do insumo água. Os desperdícios são reduzidos pois as Torres de Resfriamento que utilizam o fluido água, para a remoção de calor, trabalham com a recirculação de água, e as perdas são somente por evaporação, gotejamento e purga. A purga é necessária para diminuir a incrustação, corrosão e o desenvolvimento microbiológico.

Segundo Lavoisier “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, este princípio se aplica perfeitamente na transferência de energia. Pois na operação de fornos, máquinas e equipamentos o calor gerado é retirado por um fluido (geralmente água) que é enviado para a Torre de Resfriamento, que em contato com o ar refrigera a água, removendo o calor do equipamento para o meio ambiente. Assim, a Torre de Resfriamento é de vital importância para todos os processos industriais que gerem calor.

A escolha do modelo, do tipo e do porte da Torre de Resfriamento depende do processo onde ela será empregada, o que exige total atenção, principalmente, nas fases de projeto. Deve-se levar em consideração todas as variáveis para a escolha adequada da Torre o que evitará a compra do modelo inadequado e ou a inadequada instalação, principalmente no que toca a variável localização geográfica. Possíveis aumentos de produção, picos de calor, variação da temperatura ambiente, da qualidade da água utilizada como água de make up, tipo de processo industrial, layout, disposição dos equipamentos, entre outras variáveis, podem afetar o funcionamento do equipamento. A não consideração destas variáveis no projeto podem acarretar no sub dimensionamento do equipamento. Já o superdimensionamento da Torre acarreta em gastos elevados na fase inicial do projeto e custos com manutenção até que seja atingida a capacidade de operação total do equipamento.

Funcionamento: A água aquecida proveniente de uma fonte geradora de calor (fornos, trocador de calor, injetoras, etc.) é enviada para a Torre de Resfriamento. Na parte superior da Torre a água é aspergida de forma a diminuir o tamanho da gota aumentando a área de troca térmica, a água escorre pelos enchimentos e ou pela serpentina, o que também aumenta a área de troca térmica, e em contracorrente o ar a temperatura ambiente entra em contato com a água. O resfriamento da água acontece através de dois processos:

Transferência de calor sensível (por convecção), da fase líquida para a fase gasosa, devido ao contato e ao gradiente de temperatura entre o ar e a água. Este processo só corre quando o ar possui uma temperatura inferior a temperatura da água quente e, normalmente, é responsável por cerca de 20% do calor transferido.

Transferência de calor latente por evaporação de certa quantidade de água, ou seja, é a transferência de massa da fase líquida para a fase gasosa, devido ao contato e ao gradiente de concentração entre o ar e a água. Quanto mais úmido estiver o ar que entra na Torre de Resfriamento menor é a eficiência de remoção de calor. Este processo é responsável por cerca de 80% da transferência global de calor de operação.

Devido aos fenômenos anteriormente citados podemos concluir que uma Torre de Resfriamento é uma coluna de transferência de massa e calor. A sua estrutura é projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre a fase líquida e a fase gasosa, aumentando a eficiência de troca térmica. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e dos “enchimentos” da Torre, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico, serpentinas, etc., que aumentam o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água – ar.

Tipos de Sistemas:

Sistema é todo o conjunto de equipamentos envolvidos no processo de resfriamento da fonte geradora de calor, podendo ou não possuir Torre de Resfriamento.

Á água é utilizada em sistemas de resfriamento pelo seu elevado calor específico, Cp = 1 kcal/kg°C. Mas o que significa isso?  1 kcal/kg°C significa que é necessário fornecer 1 kcal de calor em 1 kg de água para se elevar 1°C. Se compararmos com o ar temos, Cp = 0,24 kcal/kg°C, se utilizarmos ar no sistema de resfriamento somente 0,24 kcal em 1kg de ar elevam em 1°C. Desta forma, verificamos que os resfriadores a ar necessitarão de uma quantidade maior de ar para remover o mesmo calor se comparados com os resfriadores à água.

Existem diversos tipos de sistema de resfriamento:

Sistemas Abertos: Também conhecido como sistema de uma só passagem “once-through”, geralmente utilizado em locais onde existe água em abundância com qualidade e temperatura que satisfaçam as mínimas necessidades do processo.

Este sistema é utilizado em algumas unidades de processamento de Gás nos Estados Unidos, e em hidrelétricas, onde a água do mar ou água doce de rios e lagos são captadas e enviadas para as unidades condensadoras, refrigerando o sistema, por fim é descartada próximo ao local de captação com uma temperatura mais elevada.

Sistemas Semiabertos (ou Abertos de Recirculação): Este sistema é utilizado na maioria das indústrias que possuem disponibilidade limitada de água e elevada fonte geradora de calor.  A água passa pela fonte geradora de calor (Máquinas Hidráulicas, Moldes, etc.) removendo o calor do equipamento, então, a água aquecida é enviada para as Torres de Resfriamento reduzindo sua temperatura, para posteriormente ser reenviada para a fonte geradora de calor, fechando o ciclo.

É considerado sistema semiaberto pois a mesma água que entrou em contato com o ar é enviada para o resfriamento do processo, retornando para a Torre de Resfriamento. Neste sistema, caso não haja a adequada operação de limpeza e manutenção, pode ocorrer a concentração de sais e microrganismos que podem danificar os equipamentos e tubulações que compõe o sistema.

Figura01: Sistema aberto.

FONTE: http://www.evapco.com.br/catalogos/sistema_aberto_sistema_fechado.pdf

Sistemas Fechados: Nos sistemas fechados a água que refrigera a fonte geradora de calor não entra em contato com o ar atmosférico. Podemos citar como exemplo os sistemas de resfriamento de fornos de indução. O sistema fechado é geralmente empregado onde o equipamento a ser refrigerado necessita de uma água com características e pureza constante, para minimizar os danos causados no equipamento.

Como a água não entra em contato com o ar, minimizando o processo de evaporação e contaminação, não ocorre concentração de sais minerais e a proliferação de microrganismo é reduzida. A completa e total estanqueidade do sistema, é uma variável que se observada minimizará os malefícios do meio aquoso, como a corrosão por oxigenação.

Cuidado especial deve ser dado ao projetar e instalar os sifões, que devem sempre serem alagados e jamais atmosféricos em linha reta. Os custos gerados pela não observância desta variável podem impactar diretamente nas manutenções e na redução da vida útil de todo o sistema.

Os sistemas fechados ao serem projetados serão contemplados com uma Torre de Resfriamento de circuito fechado. Esta Torre possui serpentina interna confeccionada em INOX, cobre ou aço carbono galvanizado, fechando o circuito de água resfriada e garantindo a preservação das características e a pureza do fluido a ser resfriado. Outra forma de montar um sistema fechado é incorporar um trocador de calor casco tubo ou placas entre a Torre de Resfriamento de circuito aberto e a fonte geradora de calor.

Um sistema de circuito fechado, com Torre com serpentina,  tem duas águas circulando, uma água  que é refrigerada na Torre de Resfriamento e é aquecida ao tocar a serpentina,  e a outra que é resfriada na Torre e  aquecida na fonte geradora de calor; e  nos sistemas com Torre aberta com trocador de calor também há duas águas circulando: uma água  que é refrigerada na Torre de Resfriamento e é aquecida no Trocador de calor, e outra que é resfriada no trocador de calor e é aquecida na fonte geradora de calor.

Figura02: Sistema Fechado.

FONTE: http://www.evapco.com.br/catalogos/sistema_aberto_sistema_fechado.pdf

Escolha do Sistema:

A determinação da escolha do tipo, do modelo, do porte e do sistema de Trabalho da Torre de Resfriamento a ser utilizada vai depender da necessidade do processo. Não se deve utilizar sistema aberto em fornos de indução devido a concentração de sais minerais e proliferação de microrganismos neste tipo de sistema, e o risco da oclusão do fluxo da água na serpentina por Sólidos Insolúveis.

Recomenda-se entrar em contato com os fabricantes dos equipamentos que serão utilizados no processo e solicitar a qualidade da água especificada para o resfriamento do equipamento, principalmente a água interna do circuito selado. Para assim determinar qual o melhor sistema de resfriamento a ser empregado.

Deve-se evitar a utilização de ligas metálicas dissimilares ligadas diretamente entre si, principalmente quando alagadas, como por exemplo: bobina do Forno de cobre, tubulação em aço carbono e Torre de Resfriamento com serpentina de aço Inox.

 Tipos de Torres de Resfriamento:

As Torres de Resfriamento podem ser classificadas de acordo com a aspersão da água ou na forma de movimentação do ar.

No primeiro caso existem dois métodos básicos: estender a água em fina camadas sobre superfícies (chamada enchimento laminar) ou produzir gotas através do choque da água em sua queda (chamada de respingo ou gotejamento).

Já segundo a classificação pela movimentação do ar, tem-se Torres de Fluxo em Contracorrente (em que o fluxo de água cai verticalmente após passar pelo enchimento enquanto ao mesmo tempo o fluxo de ar sobe verticalmente ocasionando a troca térmica entre o ar e a água) ou Torres de Fluxo Cruzado (o fluxo de água cai verticalmente após passar pelo enchimento, enquanto o fluxo de ar segue na horizontal, ou seja, perpendicular ao fluxo de água ocasionando a troca térmica).

Todavia, a classificação mais difundida e de maior importância na avaliação de Torre de Resfriamento é a baseada na forma de movimentação do ar através da mesma. De acordo com esta classificação, tem-se:

  • Torres de tiragem Mecânica:

Nestes modelos, a utilização de ventiladores para mover o ar através da Torre proporciona um controle total da entrada de ar. Podem ser de Tiragem Mecânica Forçada ou Tiragem Mecânica Induzida.

  • Torres de Tiragem Mecânica Forçada (Insuflamento de Ar);

São Torres nas quais os ventiladores são posicionados na entrada de ar, de tal forma que forçam a passagem do ar através do enchimento.

  • Torres de Tiragem Mecânica Induzida (Aspiração de Ar);

São Torres nas quais os ventiladores são posicionados na saída de ar, geralmente na parte superior da Torre.

Recomendações

Podemos ver que a Torre de Resfriamento é um equipamento que depende estritamente das condições climáticas da região, principalmente, temperatura e umidade do ar, bem como da localização geográfica. Variações atípicas nas condições ambientais podem influenciar consideravelmente na eficiência de remoção de calor do equipamento.

Outra variável de suma importância é a observação da  correta e adequada  instalação da Torre de Resfriamento no que se refere a localização geográfica, isto é, deve-se instalar a Torre de Resfriamento pelo menos 2,5d (duas vezes e meia) o seu diâmetro, longe do primeiro obstáculo,  o que  permitirá que a eficiência dissipativa, corresponda ao nominal,  que além de não resultar em aumento de custos de manutenção e redução de produção, ocasionadas por paradas não programadas e sucessivas por desarme por alta e aquecimento, proporcionará economia de energia elétrica, menor desgaste de peças e partes, prolongamento da vida útil da Torre e funcionamento da planta dentro da programação.

Como existem também outras variáveis que podem influenciar no processo de resfriamento do equipamento, tais como: picos de aquecimento locais, aumento de produção, variações na qualidade da água, variações na qualidade do ar, perda de eficiência dos motores, variações no controle do processo, aumento no consumo de energia, diminuição na eficiência de troca térmica dos equipamentos, mudanças de layout, entre outras. É imprescindível considerar um coeficiente de segurança quando determinar a carga térmica necessária da Torre de Resfriamento.

Então, ao se determinar a carga térmica de uma Torre de Resfriamento pela equação Q = m.cp.(tq – tf) é imprescindível multiplicar o valor encontrado da carga térmica pelo coeficiente de segurança. Não existe um valor fixo para o coeficiente de segurança, cada projetista utiliza um valor, normalmente trabalha-se com 0,3, ou seja, ao se determinar a carga térmica da Torre de Resfriamento multiplica-se o valor por 1,3. Se o processo e o ambiente possuir oscilações consideráveis é interessante aumentar o coeficiente de segurança. O coeficiente de segurança serve para absorver as oscilações evitando a parada do processo pelo aquecimento por alta de temperatura.

Dimensionamento (Parâmetros Restritivos):

Além dos parâmetros citados anteriormente é imprescindível levar em consideração:

  1. Tipo de uso: Tais como o Resfriamento de fornos que exigem Torres com Circuito Selado, resfriamento de fluídos com alta carga orgânica, resfriamento de água com carga pesada de sólidos insolúveis com alta abrasividade, como por exemplo água de resfriamento de escória, de granulação e de moldagem. Resfriamento que tem como água de make up, água de reuso e ou água de chuva sem o first flush etc;
  2. Ligas metálicas: evitar a utilização de ligas metálicas dissimilares entre si, no que se refere as peças e partes alagadas, como por exemplo: Forno de Indução com a bobina com a serpentina em cobre e Torre de Resfriamento com trocador de calor em Inox e ou Torre de Resfriamento com serpentina em Inox e tubulação de aço carbono. Diferentes ligas metálicas interligadas sem isolamento entre si podem gerar corrosão galvânica;
  3. Garantir os parâmetros de qualidade da água de make up e de recirculação, que deverão atender as exigências dos fornecedores dos Fornos, das máquinas e equipamentos;
  4. Material da Torre de Resfriamento (liga metálica, PRFV – Fibra e ou Concreto);
  5. Volume da água da bacia, bem como a altura da bacia;
  6. Acesso a bacia da Torre, para aspiração dos Sólidos Insolúveis precipitados e demais saturações;
  7. Localização geográfica (local aonde a Torre será instalada na planta).

Escolha das Torres (Parâmetros Seletivos):

Alguns parâmetros podem ser estabelecidos como consequência do dimensionamento do equipamento, todavia, podem e devem ser considerados como fatores facilitadores para os processos de manutenção, facilidade na limpeza e melhoria na qualidade e conservação da Torre:

  1. Fácil acesso a bacia para a aspiração;
  2. Fácil acesso ao sistema de dispersão de água (caixa coletora, árvore de distribuição e bicos aspersores);
  3. Fácil acesso e remoção dos eliminadores de gotas para a limpeza;
  4. Robustez do equipamento;
  5. Facilidade para montagem e desmontagem;
  6. Possibilidade de troca de peças e partes;
  7. Facilidade para limpeza do enchimento/colmeia.

Recomenda-se avaliar, tipo, modelo e porte considerando as características das Torres de Resfriamento para cada aquisição, caso a caso, considerando não só os custos de aquisição, como também os custos de manutenção.

Variável Localização Geográfica

A localização / posição disponível para a instalação da Torre de Resfriamento é uma variável crucial para o bom funcionamento do sistema. Este item deverá ser verificado in loco desde a fase inicial do projeto, e por isso está sendo aqui tratado com maior ênfase, pois dependendo das restrições existentes, a interferência poderá ser tamanha a ponto de ser determinante para a escolha da Torre a ser instalada. Optar sempre que possível, pela instalação na Vertical, ou seja, elevar a Torre, como forma de otimizar o seu funcionamento, pois a Torre ficará em espaço vão livre, com o fluido ar com menor temperatura e menor carga de Sólidos Insolúveis.

Atenção especial deve ser dada à Localização Geográfica da Torre:

  • A Torre de Resfriamento deverá ser instalada em vão livre e distante de paredes e outros obstáculos que fiquem acima do chapéu, que é o ponto de soltura do ar quente e úmido.

Fonte: http://www.asminternational.org/documents/10192/1914143/htp00906p21.pdf/b6bb09ea-6492-4331-b39d-2d8d761f70aa/HTP00906P21

  1. Caso haja a necessidade de instalação de mais do que uma Torre em uma mesma localização, deverá ser respeitado o afastamento lateral de 1,5h até o anteparo lateral e 2h caso o anteparo lateral seja a outro equipamento (ex: se os equipamentos possuem 3m de altura, o afastamento lateral ao anteparo deverá ser de 1,5 x 3,0 = 4,5m ou se o anteparo for outra Torre, o afastamento deverá ser de 2,0 x 3,0 = 6 m ao todo).
  2. Para Torres a serem instaladas no nível do solo, preferencialmente optar pela instalação da Torre de Resfriamento na vertical, ou seja, elevada, de forma que o ventilador não puxe o ar aquecido pelo solo, nem tão pouco a poeira ambiental e ou de tráfego de veículos automotores.
  3. A Torre de Resfriamento deverá ser instalada longe de fonte geradora, transportadora e ou refletora de calor.
  4. As Torres de Resfriamento não deverão ser instaladas embaixo de linhas de alta tensão.
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