Como Funcionam as Torres de Arrefecimento?

As torres de refrigeração são um componente essencial da maioria das instalações industriais e comerciais. Refrigeram a água utilizada para uma variedade de processos e aplicações. Numa publicação futura, iremos discutir o papel que as torres de arrefecimento desempenham nos esforços de sustentabilidade das suas instalações, mas hoje queremos responder à pergunta: como funcionam as torres de refrigeração? Vamos começar pelo básico.

Os fundamentos de como funcionam as torres de refrigeração

As torres de arrefecimento são permutadores de calor especializados concebidos para remover o calor residual através da criação de vapor. A sua função é retirar calor da água e devolver água fria para arrefecer equipamento industrial. Numa torre de arrefecimento, o calor é transferido através de calor sensível e calor latente.

• Calor sensível: transferência de calor relacionada com alterações na temperatura da água
• Calor latente: transferência de calor relacionada com alterações no estado físico

Com torres de arrefecimento, a maior parte do calor é transferido para a atmosfera através da evaporação de água de arrefecimento de recirculação. O arrefecimento evaporativo é frequentemente utilizado para remover grandes quantidades de calor dos processos, equipamentos e espaços habitacionais. Isto é mostrado na seguinte equação de transferência de calor:

Q = LH_e x m

Onde: Q = calor evaporativo (perda de calor)

                LH_e = calor latente de vaporização/evaporação de água (Btu/lb.)

                m = massa de água

O papel da água no processo de arrefecimento

A água é utilizada como meio em torres de arrefecimento. É libertada uma quantidade relativamente grande de calor (1000 Btu) por cada libra de água evaporada. Quando se trata de água, a transferência de calor é aproximadamente 1000 vezes mais eficiente através da evaporação em comparação com o calor sensível. O valor real é ligeiramente inferior (970,4 Btu), mas em toda a indústria, o valor de 1000 Btu por libra é universalmente aceite.

As torres de refrigeração são concebidas para criar uma transferência de calor eficaz, ligando o ar e a água de forma eficiente e rápida. Em qualquer lugar, de 75 a 95 por cento do calor do processo, equipamento ou edifícios é removido por evaporação e apenas 5 a 25 por cento é removido por convecção.

Deve ser considerado o conceito de temperatura de bolbo húmido e bolbo seco. A temperatura do bolbo húmido é definida como a temperatura mais baixa da água à qual o calor pode ser removido por evaporação. Quanto mais baixa for a temperatura do bolbo húmido, mais baixa será a humidade relativa e mais eficiente será a torre de arrefecimento na remoção do calor.

Designs de torres de refrigeração

Existem três designs de torres diferentes. O tipo certo é determinado com base no tamanho do sistema/aplicação, localização geográfica/clima, qualidade da água e custos locais da rede pública.

• Rascunho natural: grande hiperbólico, normalmente encontrado em usinas elétricas
• Fluxo cruzado: rascunho induzido ou rascunho forçado
• Contador-fluxo: rascunho induzido ou rascunho forçado

Evaporação

Quando a água de recirculação numa torre de arrefecimento evapora, sai teoricamente como um vapor puro. Uma percentagem extremamente pequena deste vapor transporta pequenas gotículas de água contendo sólidos dissolvidos. Isto é conhecido como desvio da torre de arrefecimento. Neste ponto inicial da nossa discussão, o desvio da torre de arrefecimento será considerado fora do âmbito.

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, pelo que a sua concentração aumenta.

Abordagem da torre de refrigeração

• A diferença entre a temperatura do poço frio e a temperatura da lâmpada húmida chama-se abordagem da torre de arrefecimento.
• A diferença de temperatura entre a água quente de retorno e a água fria do poço é referida como o intervalo de arrefecimento (ΔT).

Equação de evaporação

A equação na Figura 2 ajuda a determinar quanta água está a ser evaporada (E) em termos de galões por minuto.

Observação: O termo ΔT é a queda de temperatura medida real ao longo da torre e não a temperatura de design.

Interiores da torre de refrigeração

Fluxo do contador

A água quente de retorno e o fluxo de ar estão em oposição direta entre si. Os eliminadores de desvio introduzem um caminho difícil para as gotículas de água navegarem. A maioria das gotículas de água não consegue chegar à atmosfera e regressa à bacia da torre de arrefecimento, levando a um consumo anual de água reduzido.

Enchimento de salpicos

Embora não seja considerado o mais eficiente, o enchimento por salpicos continua a ser utilizado em muitas aplicações, incluindo água de maquilhagem de má qualidade ou torres que servem aplicações com um elevado potencial de contaminação do processo de água de arrefecimento. Nestas condições, o enchimento de maior eficiência pode estragar e exigir limpezas químicas frequentes.

Enchimento de filme

O enchimento de película é mais frequentemente utilizado e é amplamente conhecido. É a construção familiar do tipo PVC, com o padrão waffle característico que espalha a água de arrefecimento sobre uma área de superfície maior para contacto com o fluxo de ar circulante. O enchimento de película pode ser utilizado em aplicações em que a qualidade da água de maquilhagem é boa e as temperaturas da água de retorno quente nunca excedem os 140 °F. 

Cálculos do Equilíbrio de Massas da Torre de Refrigeração

Além das equações abaixo, os ciclos de concentração (COC) também podem ser calculados usando a proporção de água de compensação para descarga.

Evaporação (gpm)

Taxa de recirculação (gpm) x ΔT x _Ef/1000

Maquilhagem (gpm)

MU = Evap (gpm) x (C/(C-1))

C = ciclos de concentração, normalmente determinados por:

torre de arrefecimento cloreto/concentração de cloretos de água de maquilhagem

ou

Concentração de magnésio na torre de arrefecimento/água de maquilhagem

Utilize magnésio se utilizar cloro, hipoclorito, bromo ou dióxido de cloro como biocida oxidante.

• Descarga = Maquilhagem – Evaporação (tudo em gpm)

• Hemorragia (perda intencional de água) = Descarga – Desvio
  • Desvio = 0,01 a 0,3% para torres de projeto mecânico
  • Desvio = 0,3 a 1,0% para torres de projeto naturais

• Meia-vida (Índice do tempo de retenção) (h.) = 0,693 x V/BD (tempo até 50% de depleção)

• Meia-vida (h.) = 2,303 x V/B x Log₁₀C_i/C_f
  • V = Volume do sistema
  • BD = Descarga
  • C_i= Concentração de aditivo inicial

C_f= Concentração final do aditivo

Escolher o local certo para a sua torre de refrigeração

Se possível, siga as seguintes recomendações ao escolher a localização de uma torre de refrigeração:

• Não coloque perto de fontes contaminantes
• Local onde o reservatório pode ser facilmente limpo
• Evite pernas mortas para reduzir potenciais depósitos e corrosão
• Minimizar a luz solar para reduzir o potencial crescimento de algas
• Adicionar filtros de fluxo lateral para remover sólidos (5–7% do fluxo)

Sistema de Arrefecimento Livre

Através da manipulação das válvulas de isolamento do condensador e do colector de água refrigerada, o sistema pode ser configurado para que o fluxo de água da torre de arrefecimento passe pelo chiller (que está fixo/não funciona) e flua directamente através da tubagem/bobina de água refrigerada para o transportador de ar.

A água do transportador de ar é então devolvida à torre de arrefecimento para repetir o ciclo. O não funcionamento do compressor do chiller e das bombas de circulação do circuito de água refrigerada ajuda a conservar a utilização de energia eléctrica. A temperatura ambiente exterior necessária para o arrefecimento livre é de 40–45°F.

Diretrizes operacionais gerais

• Mantenha o fluxo através de equipamento offline ou retire-o de serviço corretamente
• Parar as fugas do processo rapidamente
• Procure manter-se dentro dos parâmetros de controlo recomendados para o tratamento da água de refrigeração

É importante manter-se vigilante e ter o seguinte em mente:

• Operação
• Tratamento de água
• Manutenção preventiva e corretiva (documentação)
• Tendência estatística dos principais indicadores de desempenho e parâmetros de teste
• Monitorização, controlo e comunicação automatizadas do sistema
• Programa de calibração bem concebido e executado

Muitos fatores contribuem para a eficiência do seu sistema de refrigeração. Tal como com todas as outras tecnologias, é necessária a devida diligência ao determinar a viabilidade da utilização de novos métodos. Consulte sempre os manuais e guias do seu equipamento e não se esqueça de contactar a equipa experiente da deslocação para obter assistência!