TORRE DE RESFRIAMENTO

TORRE DE RESFRIAMENTO



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.
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, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico, etc, 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.
Informações mais detalhadas a respeito de funcionamento, parâmetros característicos e procedimentos para projeto deste tipo de equipamentos podem ser encontrados em Kreith (1977), Bennet e Myers (1978), Trybal, (1980), Stocker (1981), Threkeld e Jones (ver bibliografia detalhada no final).



2.- OBJETIVOS DA EXPERIÊNCIA

• Realização dos balanços de massa e energia nas correntes de água e ar na torre;
• 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;


3.- BALANÇO DE MASSA

Um esquema da torre pode ser visualizado na Fig. 1. Para a análise de desempenho dividiremos o equipamento em volumes de controle sucessivos, realizando as medições necessárias em cada ponto, para efetuar os balanços de massa e energia referentes a cada volume intermediário (não serão realizados no presente experimento) e ao volume global. Nos pontos de entrada e saída dos fluxos de ar e água na torre temos medições de vazão de ar e água, e também das temperaturas de bulbo seco e úmido do ar (que permitirão calcular o estado do ar úmido, e consequentemente, sua umidade absoluta, pressão parcial do vapor de água, entalpia, etc), assim como a temperatura da água.
O balanço básico das correntes de água e ar para um volume de controle genérico limitado pelas superfícies de controle “i-1” e “i” será (no caso do balanço global, “i-1” será o plano de entrada de ar na torre e “i” será o plano de saída de ar da torre, e vice-versa para o fluxo de água):

[1]

Sendo:
vazão de ar seco ao longo da coluna (constante)
vazão de vapor de água contido no ar nas posições “i-1” e “i” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.
vazão de água líquida nas posições “i” e “i-1” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.


Fig. 1: esquema da torre de resfriamento


Dividindo a equação [1] pela vazão de ar seco, e levando em conta a definição de umidade absoluta, Eq. [2], obtém - se uma expressão mais simples, que pode ser alternativamente utilizada para analisar o processo na torre:

[1a]

onde e são a umidade absoluta do ar nos pontos “i” e “i-1” da coluna,
[2]
isto é, mv , a massa de vapor de água [kg/s] contida num fluxo de ar seco, [kg/s].

Utilizando a equação [1] (ou [1a]), acima é possível realizar um balanço da transferência de massa na torre, sendo necessário, para tanto, calcular a vazão de ar seco e a umidade absoluta do ar, além de medir a vazão de água.


3.1 - Determinação da vazão de ar seco:

A vazão de ar que entra na torre é medida numa placa orificio ligada a um manômetro de coluna de água, cuja escala está diretamente calibrada em termos de vazão [m3/ h] para ar em condições padronizadas de temperatura e densidade, indicadas na própria escala. Para determinar a vazão mássica necessária , pode fazer-se:

[3]
onde:

vazão mássica de ar seco que entra.
vazão volumétrica de ar, lida no manômetro ligado à placa de orifício da torre,
para condições padrão: T = 28C, densidade do ar : = 1,15 kg/m3 .
(Dados informados pelo fabricante)
= volume específico do ar úmido, calculado com as equações indicadas na seqüência do texto; para tanto será necessário determinar a umidade do ar ambiente, medindo a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do mesmo num psicrômetro apropriado.
= razão das densidades do ar (seco), fator que corrige a leitura de vazão no bocal, da condição padronizada para as condição ambiente. Para tanto, meça a pressão e a temperatura ambiente e calcular a densidade do ar seco para estas condições, o que pode ser feito utilizando a equação dos gases ideais:
[4]


sendo:


Cálculo do volume específico do ar úmido

Utilizando a equação dos gases ideais:

[5]

A constante da mistura calcula-se segundo:

[6]

sendo

umidade absoluta do ar de entrada.




3.2 - Cálculo da umidade absoluta do ar

Para se proceder aos balanços de massa e energia na torre de resfriamento, seja em termos globais ou nas estações intermediárias (atualmente não operacionais), será necessária a determinação da umidade do ar. Esta umidade absoluta do ar será obtida a partir de medições das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Para tanto pode-se usar o diagrama psicrométrico equações ou mesmo softwares de cálculo psicrométrico (veja a página de EM847 na rede). Na seqüência apresentamos as equações. Os conceitos necessários podem serem encontrados no livro: Moran & Shapiro, 1993, Cap.12: parágrafos 12.6 a 12.10.

A equação [2] definiu a umidade absoluta do ar:

[2]

sendo
a quantidade de vapor de água [kg/s] contido numa vazão de ar seco de [kg/s]. Considerando em que a mistura ar + vapor d’água é uma mistura ideal de gases, podemos também escrever:

[7]


onde:
pesos moleculares do vapor de água e do ar, respectivamente, e
pressão parcial do vapor d’água e do ar na mistura

Se o vapor d’água e o ar são os dois únicos componentes da mistura, então vale

[8]

Substituindo os pesos moleculares respectivos e usando a Eq. (8), vem:

[9]

A pressão parcial do vapor de água em cada ponto da torre (entrada, saída, pontos intermediários, etc) é inicialmente desconhecida. Entretanto, pode-se medir as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido da mistura e recorrer a outro conceito para obter o valor da umidade: o de processo de saturação adiabática do ar (o processo de saturação de uma corrente de ar realizado adiabaticamente, isto é, todo calor latente necessário à saturação do ar é fornecido pelo ar). Aplicando-se este conceito chega- se à seguinte equação para o cálculo da umidade do ar:

[10]
onde:

umidade de saturação adiabática do ar à temperatura de bulbo úmido .
temperatura de bulbo seco
temperatura de bulbo úmido
calor específico do ar seco
entalpia de vaporização da água à temperatura de bulbo úmido, .

Para utilizar a equação [10] no cálculo da umidade do ar, precisaremos determinar algumas variáveis. A seguir estão as equações necessárias.


Umidade de saturação do ar:

A uma dada temperatura, o ar pode aceitar uma quantidade máxima de vapor de água misturada com ele. Diz-se então que o ar está “saturado de vapor de água”. Este estado corresponde a uma pressão parcial do vapor de água na mistura ar + vapor igual à pressão de equilíbrio, que varia com a temperatura da mistura.
Na determinação da umidade de saturação utiliza-se então a equação geral [9], mas a pressão de vapor de água deve ser a correspondente à pressão de equilíbrio:


[9a]

A pressão de equilíbrio, , pode ser lida nas tabelas de equilíbrio de água líquida + vapor (Moran & Shapiro, 1993), tendo a temperatura como dado de entrada. Ou também pode ser calculada com a correlação de Antoine (Reid, Prausnitz and Sherwood, 1977), dada abaixo:

[11]

onde:
pressão de vapor de saturação à temperatura

[11a]


esta correlação é válida no intervalo:



Os outros dados necessários para o cálculo da umidade do ar são:

Calor específico do ar seco:

[12]

Entalpia de vaporização do vapor de água:

[13]


- Vazão de vapor em cada ponto:

Deve-se levar em conta que na torre o ar está atuando como um “transportador” de vapor de água. Conseqüentemente, a sua massa não se modifica ao longo da coluna, mas a massa de vapor de água na mistura aumenta devido à evaporação da água. A massa de vapor de água na entrada, em pontos intermediários (medição não realizada atualmente) e na saída da torre será calculada para os valores correspondentes de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido (utilizando as equações 2 e 10, transcritas abaixo, e os procedimentos recém descritos). Assim:

[14]


3.3 - Determinação da vazão de água

A vazão de água é medida na entrada (rotâmetro) e na saída da torre (tanque calibrado). Caso medições intermediárias fossem realizadas, a vazão de água em cada posição seria obtida através da medição do conteúdo de água na corrente de ar (água na entrada menos água evaporada).


4.- BALANÇO DE ENERGIA

Normalmente a análise do funcionamento da torre é feita considerando-se:

- processo adiabático, são desprezadas as perdas de calor para o ambiente.
- não existe trabalho de eixo dentro do volume de controle considerado.
- a variação das energias cinética e potencial nos fluxos de ar e água são desprezíveis frente às variações de entalpia nos mesmos.

Com estas considerações, o balanço de primeira lei num volume de controle genérico (entre a entrada e a saída da torre, por exemplo) fica reduzido a:

[15]

sendo:

[16]
onde:

[17]
[18]

Dividindo a equação [15] pela vazão de ar seco e rearranjando-a, tem - se:

[16a]

Mais adiante será necessário calcular a entalpia da água líquida:

[19]

Observar que nas entalpias acima definida, adotou-se como nível de referência, no caso da água, água em fase líquida a 0C; e no caso do ar, fase gás a 0C.



6.- ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO

Numa torre de resfriamento a água entra aquecida e o ar à temperatura ambiente. Vamos nos ater nesta análise às torres que operam em contra-corrente, água descendo e ar subindo. À medida que desce, a água se resfria; o ar, `medida em que sobe, se umidifica e aquece. Em algum ponto da torre a água líquida e o ar igualam suas temperaturas: este é o “ponto de estrangulamento” (“pinch point”) da torre; a partir deste ponto as temperaturas do ar e da água ficam muito próximas, ou seja, é o ponto em que a torre pára de operar.
Para analisar a operação de transferência de massa, entre as fases líquido e gás em contato, é útil imaginar uma gota d’água, à temperatura Tágua, rodeada por uma camada de ar que também está a Tágua,. A água que evapora da gota transforma-se em vapor nesta camada e depois “migra” para a corrente de ar na torre. Identifica-se então a “força motriz” do processo de transferência de massa como:

força motriz do processo de transferência de massa =

isto é, a diferença entre a umidade do ar a uma condição ideal de saturação à temperatura da água e a umidade do ar na condição em que ele se encontra no fluxo principal na torre. Em termos energéticos, essa mesma força motriz seria:

força motriz termodinâmica do processo =

É possível então traçar curvas características do funcionamento de uma torre de resfriamento colocando no eixo vertical a entalpia efetiva (valor medido) do ar úmido e no horizontal a temperatura da água. Para efeitos de comparação traça - se no mesmo gráfico a curva correspondente à entalpia do ar saturado à temperatura local da água (medida pelos termopares colocados nas bandejas ao longo da torre) (ver Fig. 2). A diferença locas das temperaturas chama-se “potencial de entalpia”.
No ponto de estrangulamento da torre, as duas curvas, real e ideal, se cruzam. Para uma torre bem dimensionada, o ponto de estrangulamento deve - se encontrar no seu extremo inferior, isto é, bem próximo de entrada de ar no nosso caso. A posição do ponto de estrangulamento na torre dependerá da relação da vazão de ar e de água, assim como da temperatura inicial da água.
Será então objetivo deste trabalho testar o funcionamento da torre, mantendo fixa a vazão de água e sua temperatura e variando a vazão de ar, com a finalidade de tentar encontrar o ponto ótimo de operação dela em termos da vazão de ar para uma dada condição da água que se deseja resfriar.



Fig. 2: diagrama do potencial de entalpia do processo.






Fig. 3: esquema da torre de resfriamento HILTON.



7.- EQUIPAMENTO

A torre de refrigeração HILTON, mostrada num diagrama esquemático na FIG.3, consiste numa coluna retangular (com o lado da frente transparente) contendo pilhas de bandejas perfuradas de alumínio expandido, como material de recheio. A água aquecida, a ser resfriada, é distribuída no topo da torre, e escoa em direção à parte inferior em contracorrente com o fluxo de ar, que entra através de um “plenum”.
A torre possui um conjunto de resistências para aquecimento da água e um soprador para insuflar o ar na mesma. Também possui um tanque de alimentação de água de nível constante, que garante uma vazão permanente. Para evitar que gotas de água sejam arrastadas pela corrente de ar, há um elemento de retenção (colméia) na parte superior.

O equipamento está instrumentado para permitir a medição de:

• vazão de ar na entrada da torre, parte inferior (placa orifício + manômetro)
• temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do ar ambiente (psicrômetro)
• vazão e temperatura da água na entrada da torre, parte superior (rotâmetro e termopar)
• vazão e temperatura de água na saída da torre (tanque calibrado + cronômetro + termopar)
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, com termopares fixos, na entrada e saída do ar.
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, mediante uma pistola psicrométrica, em 5 pontos ao longo da torre (não operacional atualmente).
• temperatura da água em 5 pontos ao longo da torre (termopares).

As temperaturas nos termopares são lidas em um indicador digital de temperatura e uma chave seletora, localizados na lateral direita do equipamento. Na FIG. 4 está indicada a posição dos termopares e seu número na chave seletora.



8.- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Cheque antes da operação:

1. Encha os dois reservatórios dos termopares de bulbo úmido com água destilada.
2. Feche a válvula do sistema de drenagem de água, localizada no lado esquerdo do tanque de coleta de água, na base.
3. Feche a válvula de controle do fluxo de ar, no painel de instrumentos.
4. Verifique se as chaves elétricas das resistências e do motor elétrico, localizadas na parte posterior da torre, estão na posição OFF.
5. Verifique se os quatro interruptores do sistema de aquecimento estão desligados (luz do piloto apagada)
6. Feche a válvula de controle da pistola psicrométrica no painel de instrumentos (não operacional atualmente).




8 (bulbo úmido)
estação 6 9 (bulbo seco)

13
entrada água pistola psicrométrica:
aquecida 5 10 (bulbo úmido)
11 (bulbo seco)

4


3
posterior: 14
entrada água da rede 2


1
6 (bulbo úmido)
7 (bulbo seco)
estação 0


12




Fig. 4 : Numeração e posição dos termopares


Procedimento de partida:

1. Abra a válvula de suprimento de água (torneira localizada atrás da torre), e deixe encher o tanque de nível constante até que se perceba que há fluxo através do dreno do tanque de nível constante.
2. Abra a válvula de controle do fluxo de água no painel de instrumentos, até que marque no rotâmetro uma altura de 25 cm. Aguarde até observar a água passando através das bandejas da torre. Verifique se para o fluxo indicado ainda há fluxo através do dreno do tanque de nível constante (para assegurar que a vazão a través da coluna é constante, deve estar sempre sendo descarregada parte da água de alimentação pelo dreno).
3. Deixe a água encher o tanque coletor na base da torre e passar através do sistema de “overflow” para o dreno, este “overflow em U” deve ser sempre mantido cheio de água para impedir que o ar que entra pela base retorne pelo tubo de drenagem.
4. Abra a válvula do tanque na base da torre; para esvazia-lo, ajuste a válvula de drenagem de água de modo que a mesma cubra o elemento sensível do termopar que mede a temperatura da água na saída, este termopar deve ficar sempre submerso na água.
5. Ligue ambas chaves de força localizadas atrás da torre.
6. Ligue o ventilador . O fluxo de ar pode ser ajustado com dois dispositivos: seja diminuindo a entrada de ar no ventilador ou pelo “by -pass” alocado na tubulação, antes da placa - orifício. Comece com uma vazão de ar de 350 m3/h.
7. Ligue os aquecedores de água (todos).

Testes
Mantendo a vazão de água constante ao longo da torre, realize três testes para diferentes fluxos de ar, começando por uma vazão de 350 m3/h. Para os testes sucessivos ajuste a vazão de ar de modo a obter um “ponto de estrangulamento” de funcionamento da torre em direção a sua base.

Em cada um dos testes terá que efetuar as medições indicadas na PLANILHA em anexo. Acompanhe seus resultados com a carta psicrométrica em anexo.

Levantamento de dados de funcionamento:

Umidade do ar na entrada

O ar que é aspirado pelo soprado é o ar do ambiente; a medição de suas temperaturas de bulbo úmido e seco deve ser realizada com o psicrômetro disponível no laboratório. Este ponto de medição é o que podemos chamar de ESTAÇÃO ZERO (talvez fosse mais apropriado estabelecer a Estação Zero como o ponto do escoamento mais próximo da placa de orifício, pois o soprador aquece o ar. Verifique a possibilidade). O psicrômetro que temos no laboratório tem dois termômetros e uma ventoinha:
1. Molhe a gaze do termômetro de bulbo úmido e ligue a ventoinha que assopra ar para os bulbos dos termômetros.
2. Quando a termperatura de bulbo úmido estiver estável, pode-se fazer sua leitura assim como a temperatura do termômetro de bulbo seco.

Pistola psicrométrica (não operacional atualmente)
1. Abra a válvula de controle de sucção de ar da pistola, no painel de instrumentos, de modo de modo a que o nível indicador da sucção fique numa posição intermediária. Verifique que não haja arraste de água líquida através da sucção.
2. Retire a tampa da primeira estação, introduza a pistola, e meça as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco do ar.
3. Sucessivamente, das estações 1 a 5, vá retirando, tampando e recolocando a pistola na estação subsequente.

Vazão de água na entrada:
. Meça no começo e no final de cada um dos testes.
Correlação de calibração do rotámetro:
Vazão [kg/h] = 10,6164 X - 3,10326
onde: X = leitura na escala do rotámetro

Se a vazão de água se altera durante o teste, mudando a condição de funcionamento da torre, o teste não terá validade. Então, durante cada um dos testes verifique sempre que o rotâmetro indica o mesmo valor.

Vazão de água na saída:
É medida no tanque calibrado que é o “pé” da torre. No final de cada teste, feche a válvula de saída da água e esta começará a subir no tanque. O processo pode ser controlado visualizando o nível no tubo de vidro conectado ao tanque. Meça o tempo de enchimento do tanque, com cronômetro, entre os dois pontos indicados no tubo de vidro. Repita a medição de tempo por três vezes.
Considerando que o tanque têm um volume de 4 kg de água, calcule a vazão de água que passa pela torre. Compare este valor com o que marca o rotâmetro que mede a vazão na entrada da torre. A diferença entre o que marca o rotâmetro e esta medição será vazão de água evaporada na torre.

Procedimento de parada

1. Desligue os aquecedores e o ventilador.
2. Desligue as chaves de força, posição retornando - as à posição OFF.
3. Feche a válvula de suprimento de água.
4. Abra as válvulas de drenagem da torre e esgote o sistema.

9.- RELATÓRIO

Para cada um dos três teste realizados:

1. Apresente na forma de uma planilha os dados medidos relativos a água e ar.
2. Balanço de massa:
A partir destes dados determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a umidade de saturação e a umidade absoluta do ar
- massa de água evaporada de uma estação para outra
- com base neste último dado, a partir da vazão de entrada de água na torre, reporte o valor da vazão em cada estação, até a estação zero.
- compare este último dado com o dado lido no tanque de dreno ao pé da torre: não se preocupe se a diferença for grande: a vazão de água é grande em relação à quantidade evaporada, a ordem de grandeza da massa de água evaporada é a mesma que o erro dos instrumentos com os quais medimos a vazão.

3.- Balanço de energia:
- Determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a entalpia específica do ar úmido
- a entalpia total da corrente de ar
- a entalpia específica da água líquida (este valor é obtido através da medições da temperatura da água nas bandejas intermediárias)
- a entalpia total da corrente de água
- o calor transferido em cada estação, da água para o ar.
- o calor total transferido, da água para o ar (balanço global)

4.- Análise de funcionamento:
Calcule, para cada estação de medida:
- A entalpia específica de ar úmido saturado à temperatura da água (no mesmo ponto de medida)
- Trace um gráfico do tipo indicado na FIG.2, determine o ponto de estrangulamento da torre e discuta comparativamente os resultados obtidos nos três testes realizados. Determine, entre os três, aquele correspondente à melhor condição de funcionamento da torre (melhor aproveitamento do equipamento, menor gasto de energia). Nesta análise, leve em conta a perda de carga medida na torre em cada teste.


BIBLIOGRAFIA

• Bennett, C.O. and Myers, J.E.; “Fenômenos de Transporte de Quantidade de Movimento Calor e Massa “, Edit. McGraw - Hill do Brasil Ltda., 1978.
• Jones, W.P.; “Engenharia de Ar Condicionado”.
• Kreith, F.; “Princípios da Transmissão de Calor”, Edit. Edgard Blücher Ltda.1977.
• Moran, M.J. and Shapiro, H.N.; “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, John Wiley & Sons, Inc., 1993.
• Reid, Prausnitz and Sherwood; “The Properties of Gases and Liquids” , Edit. McGraw-Hill Book Co., 1977.
• Stoecker, W.F.; “Refrigeration and Air Conditioning”, Edit. McGraw Hill , 1981.
• Threkeld, J.L.; “Thermal Environmental Engineering”; Edit. Prentice Hall Inc.
• Treybal, R.E.; “Mass Transfer Operations”; Edit. McGraw Hill Kogakusha Ltda., 1980.