As torres de resfriamento são um componente essencial da maioria das instalações industriais e comerciais. Eles resfriam a água usada para uma variedade de processos e aplicações. Em uma publicação futura, discutiremos o papel que as torres de resfriamento desempenham nos esforços de sustentabilidade da sua instalação, mas hoje queremos responder à pergunta: como funcionam as torres de resfriamento? Vamos começar com o básico.
Os fundamentos de como funcionam as torres de resfriamento
As torres de resfriamento são trocadores de calor especializados projetados para remover o calor residual criando vapor. Sua função é puxar o calor da água e retornar a água fria para resfriar equipamentos industriais. Em uma torre de resfriamento, o calor é transferido por meio de calor sensível e calor latente.
- Calor sensível: transferência de calor relacionada a mudanças na temperatura da água
- Calor latente: transferência de calor relacionada a alterações no estado físico
Com torres de resfriamento, a maior parte do calor é transferida para a atmosfera por meio da recirculação da evaporação da água de resfriamento. O resfriamento evaporativo é frequentemente usado para remover grandes quantidades de calor de processos, equipamentos e espaços de convivência. Isso é mostrado na seguinte equação de transferência de calor:
Q = LHe x m
Onde: Q = calor evaporativo (perda de calor)
LHe = calor latente de vaporização/evaporação de água (Btu/lb)
m = massa de água
O papel da água no processo de resfriamento
A água é usada como meio em torres de resfriamento. Uma quantidade relativamente grande de calor é liberada (1.000 Btus) para cada libra de água evaporada. Ao lidar com água, a transferência de calor é aproximadamente 1.000 vezes mais eficiente por meio da evaporação em comparação com o calor sensível. O valor real é ligeiramente menor (970,4 Btus), mas em toda a indústria, o valor de 1.000 Btus por libra é universalmente aceito.
As torres de resfriamento são projetadas para criar uma transferência de calor eficaz, conectando ar e água de maneira eficiente e rápida. Em qualquer lugar, de 75% a 95% do calor do processo, equipamentos ou edifícios é removido por evaporação e apenas 5% a 25% é removido por convecção.
O conceito de temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco deve ser considerado. A temperatura do bulbo úmido é definida como a temperatura mais baixa da água na qual o calor pode ser removido por evaporação. Quanto menor a temperatura do bulbo úmido, menor a umidade relativa e mais eficiente a torre de resfriamento é na remoção de calor.
Projetos de torres de resfriamento
Há três designs de torre diferentes. O tipo certo é determinado com base no tamanho do sistema/aplicativo, localização geográfica/clima, qualidade da água e custos locais da concessionária.
- Rascunho natural: hiperbólico grande, normalmente encontrado em usinas elétricas
- Fluxo cruzado: rascunho induzido ou rascunho forçado
- Contrafluxo: rascunho induzido ou rascunho forçado
Evaporação
Quando a água de recirculação em uma torre de resfriamento evapora, teoricamente ela sai como um vapor puro. Uma porcentagem extremamente pequena desse vapor transporta pequenas gotículas de água contendo sólidos dissolvidos. Isso é conhecido como deriva da torre de resfriamento. Neste ponto inicial da nossa discussão, o desvio da torre de resfriamento será considerado fora do escopo.
Ciclos de concentração
Os diagramas sequenciais na Figura 1 ilustram o que queremos dizer com ciclos de concentração. À medida que mais água é evaporada, a quantidade de sólidos dissolvidos permanece consistente, de modo que sua concentração aumenta.
Abordagem da torre de resfriamento
- A diferença entre a temperatura do reservatório frio e a temperatura do bulbo úmido é chamada de abordagem da torre de resfriamento.
- A diferença de temperatura entre a água de retorno quente e a água do reservatório frio é chamada de faixa de resfriamento (ΔT).
Equação de evaporação
A equação na Figura 2 ajuda a determinar quanta água está sendo evaporada (E) em termos de galões por minuto.
Observação: O termo ΔT é a queda de temperatura medida real através da torre e não a temperatura de projeto.
Internos da torre de resfriamento
Contrafluxo
A água de retorno quente e o fluxo de ar estão em oposição direta entre si. Os eliminadores de gotas apresentam um caminho difícil para as gotículas de água navegarem. A maioria das gotículas de água não consegue encontrar seu caminho para a atmosfera e cair de volta na bacia da torre de resfriamento, levando à diminuição do consumo anual de água.
Respingo-Preenchimento
Embora não seja considerado o mais eficiente, o respingo ainda é usado em muitas aplicações, incluindo água de reposição de baixa qualidade ou torres que atendem aplicações com alto potencial de contaminação do processo de água de resfriamento. Nessas condições, o enchimento de maior eficiência pode sujar e exigir limpezas químicas frequentes.
Preenchimento de filme
O enchimento de filme é mais frequentemente usado e amplamente conhecido. É a construção familiar do tipo PVC, com o padrão de waffle característico que espalha a água de resfriamento sobre uma área de superfície maior para contato com o fluxo de ar circulante. O enchimento de filme pode ser usado em aplicações onde a qualidade da água de reposição é boa e as temperaturas da água de retorno quente nunca excedem 140°F.
Cálculos de equilíbrio de massa da torre de resfriamento
Além das equações abaixo, os ciclos de concentração (COC) também podem ser calculados usando a razão de água de reposição para purga.
Evaporação (gpm)
Taxa de recirculação (gpm) x ΔT x Ef / 1.000
Maquiagem (gpm)
MU = Evap (gpm) x (C/(C-1))
C = ciclos de concentração, comumente determinados por:
concentração de cloreto na torre de resfriamento/cloretos na água de reposição
ou
Concentração de magnésio na torre de resfriamento/água de reposição de magnésio
Use magnésio se cloro, hipoclorito, bromo ou dióxido de cloro for usado como biocida oxidante.
- Sopro = diluente – evaporação (todos em gpm)
- Sangramento (perda intencional de água) = purga – desvio
- Desvio = 0,01 a 0,3% para torres de corrente mecânica
- Desvio = 0,3 a 1,0% para torres de calado natural
- Meia-vida (índice de tempo de retenção) (h) = 0,693 x V/BD (tempo até 50% de depleção)
- Meia-vida (h) = 2,303 x V/B x Log10Ci/Cf
- V = Volume do sistema
- BD = Sopro
- Ci= Concentração inicial do aditivo
Cf= Concentração final do aditivo
Escolha do local certo para sua torre de resfriamento
Se possível, siga as seguintes recomendações ao escolher um local de torre de resfriamento:
- Não coloque perto de fontes de contaminantes
- Local onde o reservatório pode ser facilmente limpo
- Evite pernas mortas para reduzir possíveis depósitos e corrosão
- Minimizar a luz solar para reduzir o potencial crescimento de algas
- Adicione filtros de fluxo lateral para remover sólidos (5–7% do fluxo)
Sistema de resfriamento natural
Por meio da manipulação das válvulas de isolamento do condensador e do coletor de água resfriada, o sistema pode ser configurado para que o fluxo de água da torre de resfriamento passe pelo resfriador (que está preso/não está funcionando) e flua diretamente através da tubulação/bobina de água resfriada para o manipulador de ar.
A água do manipulador de ar é então devolvida à torre de resfriamento para repetir o ciclo. Não operar o compressor do resfriador e as bombas de circulação de circuito de água resfriada ajuda a conservar o uso de energia elétrica. A temperatura do ar ambiente externo necessária para o resfriamento livre é de 40–45°F.
Diretrizes operacionais gerais
- Manter o fluxo através de equipamentos off-line ou removê-lo de serviço adequadamente
- Interromper vazamentos de processo rapidamente
- Tente manter-se dentro dos parâmetros de controle recomendados para o tratamento da água de resfriamento
É importante permanecer vigilante e ter em mente o seguinte:
- Operação
- Tratamento de água
- Manutenção preventiva e corretiva (documentação)
- Tendência estatística dos principais indicadores de desempenho e parâmetros de teste
- Monitoramento, controle e comunicação automatizados do sistema
- Programa de calibração bem projetado e executado
Muitos fatores contribuem para a eficiência do seu sistema de resfriamento. Assim como ocorre com todas as outras tecnologias, a diligência prévia é necessária ao determinar a viabilidade de utilizar novos métodos. Sempre consulte os manuais e guias do seu equipamento e não se esqueça de entrar em contato com a equipe experiente da ChemTreat para obter assistência!
