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O arrefecimento de fluidos de processo, recipientes de reação, vapor de exaustão de turbinas e outras aplicações é uma operação crítica em milhares de instalações industriais em todo o mundo, comoplantas de manufatura geral ouplantas de minerais. Os sistemas de arrefecimento requerem proteção contracorrosão,calcificação eincrustação microbiológicapara maximizar o desempenho, preservar a vida útil e a fiabilidade do equipamento e, mais importante, ajudar a garantir a segurança dos funcionários.
Neste capítulo, examinamos o design fundamental do sistema de refrigeração e as noções básicas de transferência de calor. Esta visão geral irá fornecer a base para a discussão dotratamento da água de refrigeração no próximo capítulo.
Os leitores interessados também são encorajados a explorar o website doInstituto de Tecnologia de Arrefecimento. Esta organização de longa data fornece informações excelentes sobre todas as facetas das aplicações de arrefecimento industrial e comercial.
Os três principais designs do sistema de refrigeração são o simples, a recirculação aberta (baseada em torre de refrigeração) e fechada. Os dois primeiros normalmente servem como resfriamento primário para os maiores trocadores de calor, com malhas fechadas para sistemas auxiliares da planta. Os fundamentos de cada um são descritos abaixo.
Como o nome "uma vez através" implica, a água de refrigeração vem de uma fonte externa, como um lago, rio ou até mesmo do oceano. Depois de servir os permutadores de calor, a água é descarregada diretamente de volta à fonte original. Um exemplo comum, especialmente no século passado, foi o resfriamento por vapor de exaustão de turbinas em usinas de grandeenergia, como mostrado abaixo.
Figura 6.1. Esquema básico de refrigeração de uma central elétrica.
As entradas de passagem são normalmente equipadas com telas de barra e/ou telas de deslocamento para remover material como galhos de árvores, folhas e outros itens grandes, incluindo vida aquática, que de outra forma iriam estragar fisicamente os tubos do condensador e do permutador de calor. Há anos, tornou-se evidente que o processo de rastreio era fatal para muitos organismos aquáticos, que colidiam violentamente ou ficaram presos contra os ecrãs. Uma maior preocupação com a proteção da vida aquática provocou alterações no design e seleção do sistema de arrefecimento, com um foco mais forte emsoluções de água sustentáveiseavanços no arrefecimento de água sustentável. Algumas entradas existentes foram adaptadas com telas modernas que minimizam os danos à vida aquática, enquanto para muitas fábricas modernas, o resfriamento simples não é mais permitido, mas sistemas de torre de resfriamentosão necessários.
Nota:Embora muitas fábricas nucleares tenham torres de arrefecimento, sistemas de backup de uma só passagem são comuns para arrefecimento de emergência.
Também preocupante com sistemas de passagem única está a descarga de água de arrefecimento quente para a fonte de fornecimento. As temperaturas quentes podem ser letais para alguns organismos, enquanto outros, como o peixe, se acumulam na descarga durante os meses de tempo frio. Algumas plantas foram projetadas com canais de descarga para permitir que a água arrefeça um pouco antes de entrar no corpo hídrico primário.
Em algumas aplicações únicas, um sistema de pulverização ajuda no arrefecimento de descarga. Semelhante ao processo da torre de arrefecimento, que é examinado em detalhe a seguir, um sistema de pulverização melhora o arrefecimento por evaporação de uma pequena porção da descarga.
Figura 6.2. Pulverize o lago.
“Grey Water Pond at Palo Verde” da NRCgov está licenciado ao abrigo do CC BY 2.0.
O tratamento químicode sistemas únicos é frequentemente simples, mas ainda muito importante paraminimizar a incrustação micro e macrobiológicae a formação de escala. Estes tópicos são abordados no Capítulo 7.
Iremos agora examinar alternativas à refrigeração única.
Nos sistemas de refrigeração de recirculação, a água é reciclada continuamente. A forma mais simples de um sistema de refrigeração de recirculação é um lago de refrigeração. A maior parte do arrefecimento é feito por transferência de calor sensível com uma pequena perda de calor por evaporação que aumenta em dias de vento e calor. Os tanques de refrigeração requerem uma grande área útil de cobertura e, portanto, os sistemas de recirculação aberta são muito mais comuns.
A capacidade de transferir grandes quantidades de calor através de uma pequena quantidade de evaporação de água de recirculação é a base por trás das aplicações da torre de arrefecimento.
Figura 6.3. Foto de uma torre de resfriamento contra vazão.
O processo fundamental é apresentado abaixo:
Figura 6.3. Foto de uma torre de resfriamento contra vazão.
Milhões de torres de refrigeração estão a funcionar em todo o mundo em instalações que variam em tamanho, desde grandes instalações industriais a instalaçõescomerciais, como edifícios de escritórios.
As torres de arrefecimento modernas são de dois tipos principais, corrente mecânica (as ventoinhas movem o ar através da torre) e corrente natural (o ar flui naturalmente através da torre). Estas últimas são as enormes torres hiperbólicas em grandes centrais de carvão ou nucleares, e são muito menos comuns do que as torres de rascunho mecânico, que são o principal foco desta secção.
Uma vantagem das torres de rascunho mecânico é que podem ser projetadas e montadas em células que ficam lado a lado dentro de uma estrutura comum. As células individuais podem ser colocadas ou retiradas de serviço para lidar com cargas em mudança. As torres podem ser de corrente forçada, na qual os ventiladores empurram o ar através da torre, ou de corrente induzida onde os ventiladores puxam o ar.
Figura 6.5. Um ventilador de corrente induzida na tampa de escape de uma célula de torre de arrefecimento. Fotografia cortesia da Torre de Arrefecimento Internacional.
A maioria das grandes torres industriais são de descoberto induzido, mas as unidades menores são frequentemente forçadas a descoberto para simplificar a operação. Em torres com corrente forçada, a velocidade do ar diminui durante a passagem do ar através da torre. A velocidade mais baixa pode levar à recirculação do ar de escape para a entrada da torre, reduzindo a eficiência.
Outra diferenciação primária é o fluxo cruzado ou o contrafluxo, no qual o ar flui perpendicularmente ou contracorrentemente, respetivamente, para o caminho do fluxo de água.
Figura 6.6a. Esquema de uma torre de arrefecimento de contrafluxo e corrente induzida. O fluxo de ar é oposto ao fluxo de água.
Figura 6.6b. Esquema de uma torre de arrefecimento de fluxo cruzado de rascunho induzido. O fluxo de ar é perpendicular ao fluxo de água.
Note-se que as torres mostradas nas Figuras 6.6 a e b são do tipo dupla entrada, em que o ar entra de lados opostos. Estas são mais eficientes do que as torres de entrada única, onde a direção do vento tem um maior impacto na eficiência. As grandes torres são frequentemente colocadas para tirar partido dos padrões de vento predominantes. Ocasionalmente, pode-se ver uma torre octogonal ou circular para máxima eficiência independentemente da direção do vento, mas os custos de projeto e construção dessas torres são maiores do que para torres retangulares padrão e, portanto, não são tão comuns.
Os componentes da torre mostrados nas ilustrações anteriores são essenciais para uma estabilidade estrutural e funcionamento bem-sucedidos. As secções seguintes analisam as mais importantes.
Dependendo do tamanho, idade e outros fatores, os suportes estruturais e componentes internos das torres de arrefecimento podem ser de vários materiais. O conhecimento dos vários materiais para qualquer aplicação é importante para otimizar o tratamento da água, como é discutido no Capítulo 7.
Nos últimos anos, as grandes torres de arrefecimento tinham estruturas de suporte de madeira. Douglas Fir e Redwood tratados sob pressão foram as duas escolhas mais comuns. As principais vantagens destes materiais são o custo razoável, a força decente e o facto de os produtos poderem ser facilmente cortados de acordo com especificações precisas no terreno. As desvantagens incluem:
O substituto para madeira em muitas torres industriais grandes e modernas é o plástico reforçado com fibra de vidro (FRP).
Figura 6.7. Estrutura de suporte FRP para uma torre de arrefecimento de contrafluxo. Fotografia cortesia da Torre de Arrefecimento Internacional.
Os benefícios da fibra de vidro incluem:
As limitações da fibra de vidro incluem:
Típico para grandes torres de resfriamento, e como mostrado na Figura 6.8, é uma bacia hidrográfica de concreto. Isto pode, por vezes, apresentar desafios de corrosão, como será discutido no Capítulo 7. Nesses casos, podem ser utilizados métodos avançados para proteger os sistemas de água de arrefecimento, bem como programas químicos de água de arrefecimento.
Para torres de refrigeração mais pequenas, como as de edifícios comerciais, o aço galvanizado é um material estrutural comum. As pequenas torres podem muitas vezes ser fabricadas num patim na loja do fornecedor e enviadas diretamente para o local.
Figura 6.8. Uma torre de refrigeração de pacotes.
As torres galvanizadas podem ter uma bacia de aço carbono. Outras torres pequenas podem ser fabricadas em aço inoxidável, por vezes na crença errada de que o aço inoxidável é resistente a todas as formas de corrosão.
O principal método de transferência de calor numa torre de arrefecimento é a evaporação de uma pequena porção da água de recirculação. A chave para a transferência máxima de calor (dentro de várias restrições de qualidade da água, como veremos) é a seleção correta do enchimento. A seleção adequada reduz a relação líquido/gás (L/G) para a torre e reduz de forma correspondente o tamanho e os custos operacionais/de material da torre e do equipamento auxiliar, como bombas de recirculação e ventiladores.
As primeiras torres de arrefecimento tinham um enchimento de salpicos de madeira; uma série de placas escalonadas abaixo do spray de água ou bicos de distribuição.
Figura 6.9. Esquema geral do enchimento inicial de salpicos de madeira numa torre de arrefecimento de fluxo cruzado.
A água que entra em contacto com as ripas divide-se em pequenas gotículas que aumentam a área de superfície.
O enchimento de salpicos é comum para torres de fluxo cruzado e a tecnologia foi consideravelmente melhorada, com um design moderno mostrado abaixo.
Figura 6.10. Uma disposição moderna de enchimento por salpicos.
Fonte: Brentwood Industries e Rich Aull Consulting.
O enchimento de salpicos pode ser a única escolha em torres de arrefecimento onde a água tem uma elevada tendência de incrustação, mas na maioria das torres, o enchimento de película é o material preferido, pois melhora o contacto ar-água. Os enchimentos de película típicos são feitos de PVC por baixo custo, durabilidade, boas características de humedecimento e taxa de propagação de chama inerentemente baixa. O enchimento de películas não é de natureza genérica e estão disponíveis vários designs. A escolha da configuração do fluxo e o espaçamento entre as folhas de enchimento (tamanho da calha) devem ser avaliados cuidadosamente e dependem da qualidade projetada da água de recirculação. As ilustrações seguintes descrevem vários estilos de enchimento de películas, desde um design de baixa incrustação para águas com forte potencial de incrustação a tipos de alta eficiência.
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Figura 6.11a. Canais verticais (VF). Cortesia da Brentwood Industries e Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11b. Suporte XF. Cortesia da Brentwood Industries e Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11c. Canais de compensação (OF). Cortesia da Brentwood Industries e Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11d. Canais cruzados (CF). Cortesia da Brentwood Industries e Rich Aull Consulting. |
As Figuras 6.11a–d mostram uma progressão de várias configurações de enchimento de películas, passando de baixa eficiência e correspondente baixo potencial de incrustação para alta eficiência e alto potencial de incrustação.
Os fabricantes de torres de arrefecimento continuam a melhorar a eficiência, mas esta é uma espada de duplo gume, na medida em que o caminho de fluxo complexo aumenta as localizações potenciais para a deposição de sólidos. A tabela a seguir descreve as diretrizes gerais para alguns dos projetos mostrados acima.
Fonte: Referência 2
| CF 19 mm | 21 mm DE | VF de 19 mm | 25 mm M/S | VF de 38 mm | 19 mm XF- Standoff4 | |
| Permitido TSS (ppm) com Bom Controlo Microbiano2 | <100 | <200 | <500 | <1.000 | Sem limite | <500 |
| Permitido TSS (ppm) com fraco controlo microbiano3 | <25 | <50 | <200 | <500 | <1.000 | <200 |
| Óleo e lubrificante permitidos (ppm) | Nenhum | <1 | <5 | <50 | <25 | <5 |
| Fibras | Nenhum | Nenhum | Nenhum | Nenhum | Nenhum | Nenhum |
A Figura 6.12 ilustra o efeito da velocidade da água na profundidade dos biofilmes.
Figura 6.12. Espessura do biofilme em função da velocidade da água (Referência 3, 4)
Uma comparação desta ilustração com os tipos de enchimento da torre de arrefecimento mostrados acima destaca a vulnerabilidade das embalagens de película plástica celular à bio incrustação. Foi referido que a velocidade da película de água em embalagens de película de cano cruzado típicas é de apenas 0,48 pés/s, e para embalagens de película resistentes a incrustações, apenas 0,89 pés/s – 0,95 pés/s para uma taxa de carregamento de 8 gpm/ft2água.
Figura 6.13. Velocidade da película de água para embalagens de enchimento de plástico celular típicas de designs de canos cruzados e resistentes às incrustações. (Referência 3, 5)
Os biofilmes recolhem sólidos suspensos que entram na torre através da maquilhagem e do fluxo de ar para produzir depósitos semelhantes a lama que podem tornar-se muito espessos.
Figura 6.14. Uma secção extraída de enchimento de película com depósitos microbiológicos/siltosos.
Os depósitos podem fechar as passagens de enchimento, o que, obviamente, reduz o contacto ar-água e degrada a transferência de calor. A deposição também pode adicionar um peso enorme ao enchimento. Ambos os efeitos são claramente apresentados abaixo.
Figura 6.15. Perda de capacidade da torre vs. ganho de peso de enchimento para um pacote de enchimento de plástico celular com canela de compensação padrão. (Referência 3, 6)
Em casos extremos, o enchimento obstruído entrou em colapso, resultando numa interrupção não programada e em grandes custos de substituição. Felizmente, existemtécnicas modernas para proteção contra corrosão e incrustações.
As colónias microbiológicas tendem a acumular-se no meio da embalagem de enchimento. As velocidades da água directamente sob os bicos de pulverização são geralmente suficientemente elevadas para desencorajar a adesão do micróbio. Além disso, as incrustações tendem a ser mais intensas no meio do enchimento do que na parte inferior, porque os sólidos suspensos são filtrados antes de atingir a camada de enchimento mais baixa e porque as últimas polegadas de enchimento não suportam fisicamente uma massa de depósito mole. A ausência de colónias microbianas no topo ou no fundo do enchimento, combinada com a dificuldade de inspecionar as camadas médias, permite frequentemente que a incrustação evolua sem ser detetada até atingir uma fase avançada. O pessoal das centrais eléctricas e instalações industriais tentou monitorizar as incrustações de enchimento durante o funcionamento da torre utilizando secções de enchimento suspensas das células de carga, ou cortando uma janela de acesso na extremidade do revestimento da torre para permitir que uma secção intermédia fosse removida periodicamente para inspecção utilizando um elevador de homem, ou suspendendo uma secção de enchimento por baixo da embalagem de enchimento principal para permitir que fosse facilmente inspeccionada e pesada. Estas técnicas de monitorização podem ser um pouco eficazes, mas nenhuma demonstrou ser totalmente satisfatória.
Existem vários métodos para remover depósitos biológicos/siltos do enchimento da torre de arrefecimento. A hiper-halogenação é um método, mas a eficácia pode ser limitada. Além disso, a elevada concentração de cloro pode causar corrosão nos componentes do sistema e, quando a limpeza estiver concluída, o fluxo de resíduos pode necessitar de tratamentoantes da descarga. As colónias microbiológicas têm um elevado teor de água e irão encolher e separar-se das superfícies quando completamente secas. A Patente US 5,558,157 descreve este método para remoção de biofilme em permutadores de calor de concha e tubo. No entanto, secar eficazmente o enchimento da torre de refrigeração pode ser problemático, mesmo com a ajuda dos ventiladores. O dióxido de cloro também serviu como produto de limpeza para biofilmes de torre de arrefecimento com algum sucesso.
O químico de limpeza mais amplamente praticado e eficaz para depósitos microbiológicos é o peróxido de hidrogénio (H2O2). O peróxido é eficaz devido à sua força oxidante e à ação física das microbolhas de oxigénio produzidas à medida que reage com depósitos orgânicos. Os produtos de decomposição do peróxido são água e oxigênio e, portanto, o composto tem um perfil ambiental muito positivo. As dosagens típicas estão na faixa de 500-3.000 ppm de química ativa. Tal como acontece com a maioria dos processos de limpeza deste tipo, a adição de baixos níveis de surfactantes irá ajudar a libertar depósitos. Os dispersantes poliméricos são frequentemente também incluídos para manter os sólidos deslocados em suspensão até poderem ser descarregados.
Eliminadores de névoas
A interação de ar e água na torre gera muitas gotículas finas que podem potencialmente sair da torre na pluma. O termo comum para esta perda é “desvio”. A descarga de humidade é problemática por dois motivos. Em primeiro lugar, os sólidos dentro das gotículas podem depositar-se nas lâminas do ventilador de corrente induzida e afetar gradualmente o desempenho. Em segundo lugar, os regulamentos de emissões de ar da fábrica geralmente também incluem a descarga da torre de arrefecimento. Uma instalação pode estar a violar as diretrizes de descarga dos sólidos arrastados nas gotículas. Por conseguinte, os eliminadores de névoa de palhetas em chevron são itens padrão da torre de refrigeração. As desmisters recolhem água por impacto e permitem que a água escorra de volta para a torre.
Figura 6.16. Um design moderno de eliminador de névoas.
Fotografia cortesia da Brentwood Industries e Rich Aull Consulting.
A tecnologia avançou de modo a que os desmisters modernos possam reduzir a humidade arrastada para menos de 0,0005% da taxa de recirculação da água. Para colocar isso em perspectiva, a deriva de uma torre com uma taxa de recirculação de 100.000 gpm e uma deriva de 0,0005% seria de 0,5 gpm. Muito ligeira mesmo!
O funcionamento da torre é crítico para um funcionamento eficiente do sistema de distribuição de água. A figura abaixo mostra uma porção de um sistema de pulverização moderno para uma torre de contrafluxo.
Figura 6.17. Foto de várias laterais e bicos de pulverização acima da embalagem de contrafluxo numa nova torre. As tábuas foram removidas antes do arranque da torre.
Fotografia cortesia da Torre de Arrefecimento Internacional.
As torres de fluxo cruzado têm normalmente um convés de distribuição acima do enchimento, onde é mantido um nível estável de água na superfície do convés. A água flui para o enchimento através de um padrão preciso de perfurações no convés.
Figura 6.18. O convés de distribuição de uma torre de arrefecimento circular de fluxo cruzado. Observe as perfurações uniformes.
Fotografia cortesia da Torre de Arrefecimento Internacional.
O enchimento requer uma distribuição uniforme de água para minimizar a canalização. A canalização por si só reduzirá a eficiência da torre, mas também pode estabelecer locais de baixo fluxo que permitam um aumento da deposição e formação de colónias microbiológicas. Em torres de contrafluxo com redes de distribuição de água, as inspeções regulares devem incluir o exame dos bicos de pulverização para encontrar bicos obstruídos, partidos ou em falta. Para torres de fluxo cruzado, a obstrução das perfurações da plataforma do distribuidor por materiais sólidos ou algas pode causar má distribuição.
Normalmente, os sistemas de recirculação são concebidos com várias bombas para que o caudal de água possa ser ajustado de acordo com as alterações sazonais de temperatura. Além disso, em torres multicélulas típicas, as células podem ser colocadas ou removidas de serviço, dependendo dos requisitos de arrefecimento.
Conforme observado anteriormente, a maioria das grandes torres de arrefecimento induziu ventiladores de corrente de ar. Aspetos importantes dos ventiladores para além do tamanho e potência do motor incluem velocidade do ventilador e passo da lâmina. O fluxo de ar do ventilador pode parar se as definições do ventilador não estiverem corretamente configuradas. A monitorização e manutenção regulares são importantes. Os ventiladores podem ficar desequilibrados e desalinhados da acumulação de depósitos que saem com a pluma. As caixas de velocidades são outro item que requer inspeção regular e monitorização do lubrificante.
Uma disposição não incomum é o controle do ventilador de duas velocidades, ou talvez uma flexibilidade ainda maior com o controle do inversor de frequência (VFD). Assim, em vez de colocar uma célula ou células dentro ou fora de serviço para ajustar as mudanças de carga ou temperatura ambiente do ar, a velocidade do ventilador pode ser modificada. Este ajuste pode ser especialmente benéfico durante o inverno para minimizar a formação de gelo. Também a esse respeito, o leitor pode lembrar-se de que alguns dos diagramas anteriores da torre neste capítulo mostraram persianas de entrada. Estes podem ser ajustados para modificar o fluxo de ar.
Ao longo de várias décadas do século passado, as torres de arrefecimento hiperbólicas eram frequentemente selecionadas em grandes centrais elétricas porque poderiam ser incorporadas nos custos gerais das centrais e não exigiam ventiladores.
Figura 6.19 Torre de resfriamento hiperbólica ou “rascunho natural”.
Como a figura indica, as torres hiperbólicas são estruturas muito grandes e altas, fabricadas em concreto. O design permite um fluxo de ar natural (de qualquer direção) e estabilidade estrutural. O público confunde frequentemente torres hiperbólicas com centrais nucleares quando não há nada “nuclear” nas torres, algumas das quais foram instaladas em grandes centrais de carvão. Quase nenhuma torre hiperbólica foi erguida nos Estados Unidos nas últimas décadas, e não será discutida mais adiante neste livro.
À medida que o ar passa através de uma torre de arrefecimento, induz a evaporação. A água que evapora consome uma grande quantidade de energia durante a mudança de estado de um líquido para um gás. Isto é conhecido como o calor latente da vaporização, que ao nível do mar é normalmente cerca de 1000 Btu/lb. Assim, as torres de arrefecimento removem muito calor da água de recirculação por uma pequena quantidade de evaporação.
Um conceito importante para compreender a transferência de calor da torre de refrigeração é o da temperatura de “bolbo húmido”. Considere estar ao ar livre, mas à sombra, num dia de 90 °F a 40% de humidade relativa. Um termómetro padrão indicaria 90°, que é a temperatura do “bolbo seco”. Agora, imagine se colocássemos outro termómetro ao lado do termómetro de bulbo seco, mas neste caso enrolássemos um pedaço de pano embebido em redor do bulbo do segundo termómetro e colocássemos ambos num tornel de modo a que os termómetros possam ser rodados muito rapidamente pelo ar. Este instrumento, um dispositivo simples e comum, é conhecido como um psicocromoter de tipoia.
Figura 6.20. Ilustração de um psychrometer de linga vintage.
Fotografia cortesia da Rich Aull Consulting.
Após um curto período de tempo, o termómetro de bolbo seco continuará a apresentar uma leitura de 90 °F, mas o outro termómetro apresentará uma leitura de 71,2 °F. Esta última leitura é a temperatura da lâmpada húmida e é a temperatura mais baixa que pode ser alcançada pela refrigeração por evaporação. Os psychrometers modernos são aspirados mecanicamente (as ventoinhas movem o ar através do pavio húmido) e são ainda mais precisos.
Independentemente da eficiência, uma torre de arrefecimento nunca pode arrefecer a água de recirculação para a temperatura do bolbo húmido e, em algum momento, os custos e os requisitos de espaço limitam o tamanho da torre de arrefecimento. A separação na temperatura entre a água refrigerada e o valor da bolha húmida é conhecida como abordagem.
Uma representação gráfica do intervalo e da abordagem, reproduzida a partir da Referência 1, é ilustrada abaixo. Obviamente, estes valores serão variáveis ao longo de uma ampla gama de condições em que as torres de refrigeração operam.
Figura 6.21. Contorno gráfico das temperaturas de alcance e abordagem. (Referência 1)
A abordagem mais próxima da temperatura da lâmpada húmida que pode ser alcançada economicamente com uma torre moderna é de cerca de 4 °F, com um valor típico de 10 °F.
Figura 6.22. Gráfico do tamanho relativo da torre de refrigeração vs. temperatura de aproximação para aplicações gerais.
Ilustração cortesia de Rich Aull Consulting.
Os dados necessários para calcular a transferência de calor por arrefecimento a ar e evaporação foram compilados num gráfico conhecido como gráfico psiquiátrico. Uma versão é mostrada abaixo.
Os diagramas psiquiométricos contêm uma grande quantidade de dados e, às vezes, podem ser difíceis de interpretar. O Anexo 6-1 descreve como avaliar estes dados.
A referência 8 fornece um exemplo direto de como calcular a evaporação da torre de arrefecimento a partir de dados psicrótricos, mas está disponível uma equação mais simples que fornece boas aproximações.
E = (ƒ * R * ΔT)/1000 | Eq. 6-1
E = Evaporação em gpm
R = Taxa de recirculação em gpm
ΔT = Diferença de temperatura (intervalo) entre a água circulante quente e arrefecida (o F)
ƒ = Um factor de correcção que conta para a transferência de calor evaporativa e sensível, em que ƒ (média) é frequentemente considerado como sendo de 0,75 a 0,80, mas irá aumentar no Verão e diminuir no Inverno.
O fator de 1.000 é o calor latente aproximado da vaporização (Btu/lb) de água em condições ambientais.
Como ilustração deste cálculo, considerar uma torre de resfriamento nas seguintes condições:
Para estes parâmetros, E = 1.800 gpm. Assim, o arrefecimento necessário é alcançado por evaporação de apenas 1,2% da água de recirculação, com transferência de calor sensata de 20%.
Um aspeto crítico da operação da torre de arrefecimento etratamento da água de arrefecimentoé que a evaporação provoca um aumento nas concentrações de sólidos dissolvidos e suspensos. O vernáculo comum na indústria para o fator de concentração são os ciclos de concentração (COC). O COC pode ser monitorizado comparando os níveis de um ião muito solúvel, tal como cloreto, na água de recirculação (R) e maquilhagem (MU). No entanto, este procedimento requer análises laboratoriais. Um substituto típico é a monitorização de condutividade específica online dos dois fluxos, que pode ser programada para sangrar automaticamente alguma água de recirculação quando se torna demasiado concentrada. Um intervalo de COC comum é de 4 a 6. A poupança de água ao aumentar a descarga para além deste intervalo torna-se mínima, como mostra claramente o gráfico abaixo.
Figura 6.24. Ciclos de concentração vs. taxa de purga para o exemplo de transferência de calor descrito anteriormente.
O COC, ou talvez mais precisamente, o COC permitido, varia de torre para torre, dependendo de muitos fatores, incluindo química da água de compensação, carga térmica, eficácia de programas de tratamento químico e possíveis restrições na qualidade ou quantidade de descarga de água. Em locais áridos, o COC pode ter de ser elevado, mas o controlo químico torna-se mais difícil.
Está disponível um conjunto simples de equações para calcular razoavelmente os requisitos de descarga (BD) e de composição de uma torre quando a evaporação é conhecida e foi determinado o COC permitido.
BD = E/(COC – 1)|Eq. 6-2
MU = E + BD + D + L| Eq. 6-3
Com relação à Equação 6-3, já foi observado que alguma água escapa da torre como deriva (D), mas em torres com eliminadores de deriva de última geração, a deriva é bastante pequena. As fugas no sistema de refrigeração são referidas como perdas (L), que também contribuem para a descarga. Em sistemas mais antigos, fugas de corrosão de tubagens e outros equipamentos podem ser significativas.
O Capítulo 7 discute as tecnologias de tratamento de água para controlar a incrustação e incrustação em torres de arrefecimento e os sistemas que fornecem, mas a secção seguinte descreve um método físico para o controlo de sólidos suspensos.
Os sólidos suspensos entram em torres de arrefecimento através da água de maquilhagem e como pó e outros detritos transportados pelo ar. Um excelente exemplo deste último em muitos locais são as sementes de madeira de algodão, que facilmente estragam os filtros de equipamento em linha. Tal como acontece com os sólidos dissolvidos, as partículas “ciclam” na água de recirculação e podem assentar em áreas de baixa velocidade do sistema de arrefecimento, incluindo a bacia da torre.
A filtração Sidestream pode remover eficazmente sólidos suspensos em sistemas de arrefecimento abertos e fechados. A Figura 6.25 apresenta duas localizações de filtro comuns.
Figura 6.25. À esquerda encontra-se uma disposição comum de filtro de fluxo lateral de “laço renal” numa bacia de torre de arrefecimento. Uma localização alternativa é a descarga da bomba de recirculação mostrada no canto inferior direito.
A tabela abaixo descreve quatro das tecnologias de filtro de fluxo secundário mais comuns.
Tabela 6-2. Tecnologias Sidestream
Fonte: Filtragem Sidestream para Torres de Refrigeração (energy.gov)
| Tipo de filtro | Nível de remoção de partículas | Mecanismo de filtragem básico | Aplicações | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Separador Centrífugo | 40–75 mícrones, inorgânicos finos a grossos com uma gravidade específica de 1,62 ou superior | A água a alta velocidade é alimentada num padrão circular que [força] partículas mais pesadas para baixo e para fora do sistema | Melhor para remoção de partículas grandes e pesadas | Manutenção mínima necessária |
| Filtro de ecrã automático | Até 10 mícrones | A água flui através de um filtro rígido, onde as partículas grandes são retidas e depois removidas do sistema | Melhor para sistemas que não podem ser interrompidos, como processos industriais e hospitais | O mecanismo de autolimpeza é automático e requer pouco tempo de inatividade |
| Filtro de disco de plástico | Até 10 mícrones | As placas ranhuradas empilhadas aprisionam as partículas à medida que a água se move pelos discos | Apropriado quando é necessária a remoção de sólidos e orgânicos | O mecanismo de autolimpeza é automático e requer pouco tempo de inatividade |
| Filtros de areia | Até 10 microns para filtros de areia sob pressão; até 0,45 microns para filtros de areia de alta eficiência | Camadas de partículas granuladas de armadilha de areia | Melhor para aplicações que requerem a remoção de partículas finas e de baixa densidade | Pode ser necessária alimentação suplementar com cloro porque os filtros de areia podem promover o crescimento microbiológico |
Um filtro de areia de pressão é mostrado abaixo.
Figura 6.26. Um filtro de pressão e areia para filtração de fluxo secundário.
Cortesia de Marmon Industrial Water.
Escolher o método de filtração ideal pode exigir uma avaliação cuidadosa das fontes de partículas e da extensão da entrada.
Para além das inspeções visuais periódicas dos componentes da torre de arrefecimento para descamação, incrustação ou danos, as análises regulares dos dados operacionais são importantes para garantir um desempenho fiável da torre. A lista abaixo descreve dados importantes para cada teste.
Também são recomendadas avaliações periódicas abrangentes por um fornecedor conceituado. O Cooling Technology Institute pode fornecer informações sobre empresas qualificadas.
Ao longo das décadas, surgiram várias modificações na torre de refrigeração ou tecnologias alternativas. Embora uma discussão detalhada destas alternativas esteja fora do âmbito deste capítulo, aparece uma visão geral de algumas das mais importantes nas secções seguintes.
Um condensador evaporativo (ver Figura 6.27 abaixo) consiste numa torre de arrefecimento convencional com um permutador de calor nu (sem revestimento exterior) localizado no interior da torre.
Figura 6.27. Um condensador evaporativo.
Colocar o condensador no interior da torre de arrefecimento reduz o espaço necessário para arrefecer o refrigerante num sistema de ar condicionado do chiller. No entanto, esta disposição apresenta desafios para minimizar a corrosão e a deposição nos tubos.A limpeza do permutador de calorpode ser bastante difícil, especialmente os tubos interiores num conjunto.
Importantes nestas unidades são o design e posicionamento adequados do cabeçote de pulverização para distribuir uniformemente a água pelos tubos. A inspeção e manutenção regulares dos bocais dos colectores de pulverização é importante.
Uma variação deste design é o arrefecedor de ar de superfície húmida (WSAC®), conforme mostrado na Figura 6.28.
Figura 6.28. Design do WSAC®
A água de refrigeração e o ar deslocam-se concomitantemente neste design, onde a configuração proporciona uma grande área de superfície para refrigeração e reduz a quantidade de água perdida com a evaporação.
Os condensadores arrefecidos a ar (ACC) foram originalmente concebidos para arrefecimento a vapor de turbinas de centrais elétricas em aplicações áridas, mas estão agora a ser adotados noutros locais.
Figura 6.29. Condensador arrefecido a ar.
Estas unidades utilizam ar ambiente para arrefecimento e, portanto, a condensação do vapor é feita apenas por transferência de calor sensata.
Figura 6.30. Diagrama básico de um processo ACC de uma central elétrica.
Como ilustra a Figura 6.30, os ACCs devem ser bastante grandes para fornecer o resfriamento necessário. Isto é facilmente compreendido comparando a densidade e a capacidade de calor do ar com a água. Além disso, os ACCs só podem resfriar o vapor a temperaturas que se aproximam da lâmpada seca do ar ambiente, não da lâmpada molhada. Assim, durante os meses quentes, a eficiência da turbina é significativamente mais baixa do que para uma unidade comparável com uma torre de arrefecimento e condensador arrefecido a água.
Um primo menor para este processo, o arrefecimento de ventiladores é utilizado em muitas fábricas para condicionamento de água líquida e fluxos de processo.
Figura 6.31. Caixa frigorífica com ventoinha de alhetas.
Estes refrigeradores têm normalmente muitos tubos de pequeno diâmetro, que podem ficar obstruídos com sólidos se o controlo químico for inadequado.
As máquinas de lavar ar estão presentes em algumas indústrias, por exemplo, fresadoras de rotação têxtil, para controlar a temperatura e a humidade do ar e para maximizar a produção e remover partículas do ar.
Durante o verão, quando a evaporação é melhorada, as unidades podem funcionar como um sistema de passagem única. No inverno, o processo pode reverter um pouco para a recirculação aberta como uma torre de arrefecimento, o que requer descarga.
Muitas fábricas têm vários permutadores de calor que estão incorporados num ou mais sistemas de água de arrefecimento fechados. Estes permutadores de calor auxiliares “fechados” rejeitam o calor para o sistema de refrigeração de recirculação aberta primário.
Figura 6.33. Esquema geral de uma disposição primária do sistema de refrigeração fechado e de recirculação aberta.
O termo sistema de água de arrefecimento fechado é um pouco erróneo, uma vez que praticamente todos os sistemas têm fugas ou pequenas perdas algures que requerem maquilhagem. (Se ocorreu corrosão grave, estas perdas podem ser significativas.) Um sistema fechado é definido basicamente como um ciclo que tem pouca ou nenhuma evaporação e onde os requisitos de maquilhagem não excedem
5–15% do volume por ano.
Os sistemas são muitas vezes concebidos com um tanque principal para maquilhagem de água e para absorver alterações de volume por temperatura e flutuações de carga. Esta disposição pode permitir a entrada de oxigénio na água de arrefecimento, o que, obviamente, influencia o potencial de corrosão. Alguns sistemas fechados podem ter uma expansão pressurizada ou um reservatório de água para manter uma pressão de água constante. Os recipientes ou tanques de maquilhagem estão frequentemente localizados no ponto mais alto num circuito fechado para servir como saída de libertação de ar para gases não condensáveis que podem acumular-se no sistema e podem causar corrosão e cavitação da bomba.
Exemplos de aplicações de arrefecimento fechado industrial e comercial incluem:
A figura abaixo mostra o contorno de um sistema básico de água refrigerada.
Figura 6.34. Diagrama de fluxo básico de um sistema de água gelada. Um intervalo comum de temperatura da água refrigerada é de 40 a 45o F.
Uma variação deste design é mostrada abaixo, com uma torre de arrefecimento fechada servindo como circuito de arrefecimento primário.
A maioria dos sistemas fechados está equipada com um pequeno alimentador de cubas de fluxo lateral com válvulas de isolamento de entrada e saída para alimentação de produtos químicos em lote. Uma melhoria é uma combinação de alimentador e filtro de corrente lateral para remover os produtos de corrosão metálicos que se formam inevitavelmente durante o funcionamento. Um filtro pode ser particularmente valioso para algumas aplicações. Um exemplo são os presbíteros automatizados em fábricas de montagem automóvel, que têm linhas de arrefecimento serpentino de pequeno diâmetro nas cabeças de solda. A acumulação de partículas (e incrustação ou descamação) pode ser muito problemática.
Como será abordado em maior detalhe no Capítulo 7, alguns circuitos de água fechados requerem água de maquilhagem de alta pureza, ou seja, condensado. Um exemplo é um refrigerador de fundição contínua de moinho de aço onde a taxa de transferência de calor é extremamente grande (106 Btu/ft2/hr). Corrosão ou incrustação que restrinja a transferência de calor pode ser extremamente prejudicial e perigosase ocorrer “quebra” de aço fundido durante o processo de fundição.
Uma técnica utilizada em algumas instalações de aquecimento e arrefecimento centrais municipais é o armazenamento de energia térmica (TES).
Figura 6.36. Esquema TES.
Os meios refrigerados podem ser água, gelo ou até salmoura congelada, com capacidades de armazenamento talvez em milhões de galões. A água é refrigerada à noite durante a procura elétrica fora do pico quando os custos de energia são mais baixos.
Os circuitos fechados de água quente são amplamente utilizados para a construção de calor. São possíveis várias configurações, muitas com retorno de água ao aquecedor, o que melhora a eficiência. Muitas vezes, em grandes instalações industriais, a água quente é utilizada para a transferência de energia entre processos industriais. Por exemplo, em unidades de fissura de etileno, um permutador de calor fechado suprime o gás de etileno rachado e, em seguida, transfere o calor para o material de alimentação de hidrocarbonetos de entrada. Este circuito térmico em particular é designado por “Cinto de Água Quente”. A água arrefecida do permutador de calor de hidrocarbonetos regressa ao cracker de etileno.
As secções anteriores deste capítulo examinaram um permutador de calor muito grande em muitas fábricas, a torre de arrefecimento. E o Capítulo 4 cobriu outro conjunto de grandes permutadores de calor,caldeiras a vapor. Nas próximas secções, iremos examinar outros permutadores de calor arrefecidos a água e propriedades fundamentais de transferência de calor.
A transferência de calor é frequentemente descrita como o transporte de energia e entropia de um ponto para outro. Ao projetar um sistema de transferência de calor, os custos de engenharia e construção devem ser equilibrados em relação aos custos operacionais e de manutenção. Por vezes, as ligas caras ou o tamanho generoso do equipamento valem a pena o custo extra para prolongar a vida útil da unidade e aumentar a eficiência. Noutros casos, os materiais simples e o design podem ser perfeitamente satisfatórios.
Talvez o design mais comum do permutador de calor seja a configuração de carcaça e tubo. Abaixo encontra-se um permutador em U, de duas passagens.
Figura 6.37. Design de permutador de calor de carcaça e tubo.
Tais permutadores são comuns para transferência de calor líquido-líquido quando apenas um ou nenhum dos fluidos é água. Este manual, com o seu foco no tratamento da água, considera os permutadores com água como o principal líquido de refrigeração e onde o fluxo de água é através dos tubos com o fluido de processo nas superfícies externas do tubo. O design na Figura 6.37 é co-corrente com o líquido de refrigeração e o fluido de processo a fluir na mesma direção. Observe as placas defletoras no permutador para melhorar a mistura de fluxo e a transferência de calor. Os permutadores de calor de duas passagens são populares porque podem proporcionar uma maior refrigeração num espaço mais pequeno do que as caixas frigoríficas de uma só passagem.
Apresenta-se abaixo um permutador de calor de contrafluxo.
Figura 6.38. Trocador de calor contra-fluxo.
Este design é frequentemente preferido devido ao menor esforço térmico no equipamento, uma vez que a água de arrefecimento aquece consideravelmente antes de entrar na zona de calor mais elevada.
Uma variação interessante neste design é o condensador de superfície de vapor, que foram tão proeminentes em grandes centrais de carvão e nucleares, e ainda são predominantes em muitas centrais de ciclo combinado.
Figura 6.39. Condensador de superfície de vapor de duas passagens.
O vapor de exaustão da turbina de entrada é geralmente (e deve ser) de 90% ou mais de qualidade. O permutador de calor, com milhares de tubos, converte o vapor em líquido para regressar à caldeira. A condensação melhora a eficiência termodinâmica do processo de geração de energia em quase um terço. No entanto, a condensação gera um vácuo muito forte quando o vapor entra em colapso na água. O vácuo forte puxa o ar até mesmo nas aberturas mais pequenas na armação do condensador ou noutros pontos. Se o ar se acumular, irá revestir os tubos e reduzir significativamente a transferência de calor. Assim, os condensadores de superfície estão tipicamente equipados com um compartimento de remoção de ar que é continuamente esgotado pelas bombas de vácuo.
Plantas antigas a carvão muitas vezes tinham permutadores de carcaça e tubo alinhados verticalmente para aquecimento de água de alimentação. Esta orientação é prática onde o espaço horizontal é limitado.
Figura 6.40. Trocador de calor vertical.
Os sólidos suspensos na água podem acumular-se no fundo de um permutador de calor vertical se o fluxo for insuficiente para manter os sólidos em suspensão. Poderá ser necessária a remoção periódica dos depósitos para evitar que os tubos fiquem bloqueados com material.
Para permutadores de calor de carcaça e tubo arrefecidos a água, a carcaça é frequentemente aço carbono, com materiais de maior grau para os tubos. Num condensador a vapor, os potenciais materiais do tubo incluem latão admiral (70% cobre, 29% zinco com pequenos elementos adicionais), cobre-níquel 90-10, cobre-níquel 70-30 e, mais recentemente, os aços inoxidáveis da série 300. Para sistemas com água de arrefecimento com concentrações elevadas de cloreto, titânio ou aços inoxidáveis superferríticos, como o SeaCure®, são materiais de tubo comuns. Permutadores de calor em refinariasefábricas químicaspodem exigir ligas especiais devido a agentes corrosivos específicos e altas temperaturas dentro dos fluxos de processo. Os sulfetos podem ser bastante corrosivos para muitos metais. Ácidos fortes ou cáusticos podem exigir um manuseamento especial. A lista continua.
Outro design comum é o permutador de calor de chapa e estrutura.
Figura 6.41. Permutador de calor da placa.
Essas unidades oferecem uma dimensão menor e menor custo do que os permutadores de carcaça e tubo. A figura abaixo ilustra um caminho de fluxo básico.
Figura 6.42. Caminho de fluxo básico do permutador de placas.
Uma desvantagem é que as placas bem espaçadas fornecem localizações para velocidades de fluido baixas que permitem que sólidos suspensos se depositem. Alguns permutadores podem ter placas onduladas para melhorar a mistura de fluidos, o que pode apresentar desafios de limpeza que requerem a desmontagem do permutador.
Figura 6.43. Uma placa ondulada de uma placa e permutador de estruturas. Parte inferior da placa já limpa por lavagem a jato de água, parte superior não limpa com incrustações claramente visíveis.
O aço inoxidável é um material comum para permutadores de placas, mas podem ser necessários materiais mais exóticos em aplicações de alta tensão ou corrosivas.
Outros permutadores de calor podem ser espiralados ou helicoidais. Um diagrama de cada um é mostrado abaixo.
Figura 6.44. Um permutador de calor helicoidal.
Figura 6.45. Um permutador de calor em espiral.
Estes permutadores de calor são utilizados para aplicações especiais não abrangidas neste manual.
As figuras acima ilustram os permutadores de calor que fornecem um limite físico entre dois fluidos. Em algumas aplicações, não existe limite. Um exemplo primário é a injeção direta de vapor. O vapor é então recuperado como condensado ao longo do processo. No entanto, o condensado pode conter qualquer número de impurezas que necessitem de ser removidas antes de voltar à caldeira.
Os três modos gerais de transferência de calor são convecção, condução e radiação. Estes são discutidos no Capítulo 4. Para a maioria dos permutadores de calor descritos acima, a condução e a convecção são os principais métodos de transferência de calor. A matemática da transferência de calor pode ser bastante complicada, especialmente ao projetar sistemas. No entanto, é possível uma grande compreensão a partir de cálculos simples, “Quando o calor flui de um fluido para outro através de uma parede de retenção sólida, a quantidade total de calor transferido pode ser expressa da seguinte forma:
(Q/t)total= U*A*ΔTtotal|Eq. 6-4
A variável chave na Equação 6-4 é U. Quando o fluido flui através de um tubo, tubo ou ao longo de uma placa, mesmo que o fluxo a granel seja turbulento, forma-se uma subcamada fina e laminar na superfície do material. Este filme influencia a transferência de calor. Assim, para uma superfície limpa, a equação para U torna-se:
1/U = 1/h′+ 1/h′′+ xw/k | Eq. 6-5
Um excelente exemplo de transferência de calor de condensação por vapor num tubo de aço carbono de 2”, Schedule 40 é descrito na Referência 11. Todos os detalhes não são repetidos aqui, mas vale a pena notar que h′(película de água) é dado como 500 Btu/(h) (pés2) (oF), h′′(lado do vapor) é dado como 2000 Btu/(h) (pés2) (oF) e xw/k é 0,00046 (h) (pés2) (oF)/Btu, onde k para aço carbono é listado como 26 Btu/(h) (pés2) (oF/pés). Pegando no inverso dos dois primeiros e adicionando estes números ao terceiro valor (e ajustando ligeiramente para as diferenças de área de superfície do tubo interno e externo) dá um valor U de 346 Btu/(hr) (ft2) (oF). Para este exemplo em particular, com um único tubo de 10 pés de comprimento e LMTD de 91oF, de acordo com a Equação 6-4 a transferência de calor para a água de resfriamento é de 170.000 Btu/h.
Uma observação fundamental deste exemplo é que a transferência de calor através do lado do vapor e da parede do tubo é aproximadamente equivalente, mas que a transferência de calor através da película de água é consideravelmente mais baixa. Assim, os permutadores de calor são muitas vezes concebidos para maximizar o fluxo turbulento (dentro das restrições dos requisitos de bombeamento e da resistência do metal à erosão-corrosão) para reduzir a espessura da subcamada laminar. Para permutadores com líquido em ambos os lados dos tubos ou placas, a resistência de transferência de calor da película aumenta. Estes fatores são muito importantes ao projetar a unidade. Se o fluido do processo for algo diferente de água ou vapor, os cálculos tornam-se mais complexos.
Um critério muito importante para selecionar os materiais do permutador de calor é a condutividade térmica. Os dados abaixo oferecem alguns valores selecionados de materiais comuns do permutador de calor.
Tabela 6-3. Condutividades térmicas de alguns materiais comuns do permutador de calor.
Informações fornecidas por Dan Janikowski, Empresa de Tubos de Plymouth de acordo com os dados do Instituto de Troca de Calor (HEI).
| Metal | Condutividade térmica a 68 oF (ou próximo)(Btu/(hr) (ft2) (oF/ft) |
|---|---|
| Aço Carbono | 27,5 |
| Latão Admiralty (70 Cu, 29 Zn) | 64 |
| 90-10 Cu-Ni | 26 |
| 70-30 Cu-NI | 17 |
| Aço inoxidável 304 e 304L | 8.6 |
| Aço inoxidável 316 e 316L | 8.2 |
| Titânio (Grau 2) | 12,7 |
A tabela ilustra a grande variedade de condutividades térmicas e ilustra claramente a condutividade muito mais elevada do latão admiralty em comparação com o aço carbono e, especialmente, o aço inoxidável. (Existe uma ressalva a este respeito, como será delineado em breve.) Por este motivo, em meados do último século, o bronze admiral era uma seleção comum para tubos de aquecedor de condensadores e água de alimentação em unidades de energia a carvão. Foram possíveis paredes espessas do tubo; concebidas para proporcionar uma longa vida útil. No entanto, tornou-se cada vez mais evidente que a corrosão gradual do cobre permitiu o transporte dos produtos de corrosão para turbinas a vapor, que se depositaram nas lâminas da turbina e reduziram a eficiência. Muitos funcionários da fábrica substituíram os tubos admiráveis por aço inoxidável para eliminar este problema. Infelizmente, quando esta modificação foi feita em alguns condensadores, os tubos de aço inoxidável começaram a sofrer de corrosão induzida microbiologicamente (CIM) do lado da água. Os iões de cobre que lixiviavam dos tubos admiráveis eram tóxicos para os micróbios, enquanto o aço não oferecia a mesma proteção. Este é outro exemplo que mostra a importância de fazer corresponder as características de corrosão metálica com as condições do processo e será abordado em maior detalhe no Capítulo 7.
A ressalva mencionada acima é que uma camada de óxido se desenvolve em muitos metais durante o serviço. A camada pode ser mais ou menos protetora, dependendo do ambiente e do metal. As ligas de cobre formam um óxido de pátina, que é consideravelmente mais isolante do que o metal base. Este é outro fator que deve ser considerado durante o design do permutador de calor.
Expandindo na Equação 6-5, a equação abaixo ilustra a influência da deposição em cada lado da superfície metálica.
1/U = 1/h′+ 1/h′′+ xw/k + 1/h′d+ 1/h′′d| Eq. 6-6
Os dois últimos termos explicam a deposição ou formação de película em cada lado da parede ou placa do tubo.
Os depósitos minerais e microbiológicos têm coeficientes de transferência de calor baixos, conforme mostrado na tabela abaixo.
Tabela 6-4. Condutividade térmica de três depósitos comuns do lado da água.
Informações fornecidas por Dan Janikowski, Plymouth Tube Company.
| Foulenta ou à escala | Condutividade térmica(Btu/(hr) (ft2) (oF/ft) |
|---|---|
| Carbonato de cálcio | 1,25 |
| Sílica | 0,8 |
| Biofilme ou água estagnada | 0,36 |
Mesmo uma camada de depósito fina reduzirá significativamente a transferência de calor. Notar a confirmação do efeito isolante de uma camada d’água estagnada. Os biofilmes porosos podem induzir corrosão subdepósito, o que pode levar a falhas prematuras e a interrupções da unidade.
Quando o calor é trocado entre dois líquidos sem mudança de fase por nenhum deles, a quantidade de calor perdido pelo líquido mais quente é equilibrada pela obtida pelo líquido de refrigeração. A troca de energia é toda a transferência de calor sensível e, excluindo pequenas perdas, pode ser descrita pela seguinte equação padrão.
Q/t = despiste *Cp*∆T| Eq. 6-7
Se um dos fluidos se condensar de um vapor, então o calor latente (H) também é transferido e a Equação 6-7 expande-se para:
Q/t = deteção de corpos estranhos*∆T + deteção de corpos estranhos*ΔH | Eq. 6-8
A importância da recuperação de calor latente continua a ter uma influência crescente no design da planta. Considere as muitas unidades a carvão construídas no século passado. O processo fundamental envolve a produção de vapor superaquecido para acionar um gerador de turbina. (Consulte o Capítulo 4.) O vapor de escape da turbina é arrefecido para líquido no condensador para regressar à caldeira. A condensação melhora significativamente a eficiência termodinâmica líquida da unidade, mas a maior parte do calor latente do vapor continua a ser perdida para a água de arrefecimento. As melhores unidades de tambor são apenas capazes de aproximadamente 35% de eficiência líquida, e mesmo as unidades ultra-supercríticas mais modernas podem alcançar no máximo 45% de eficiência. As unidades de cogeração e de calor e potência (CHP) combinados podem atingir até 80% de eficiência líquida. Uma configuração comum de co-génio utiliza vapor superaquecido para conduzir uma turbina para produção de eletricidade, mas com extração de vapor antes da perda completa de sobreaquecimento. O vapor extraído alimenta os permutadores de calor do processo, nos quais o calor latente também é utilizado. Este esquema está a tornar-se cada vez mais comum em instalações industriais para produzir eletricidade internamente e maximizar a eficiência do calor do vapor.
As folhas de especificações são típicas de novos permutadores de calor e é apresentado abaixo um exemplo da Tubular Exchange Manufacturers Association (TEMA).
Figura 6.46. Folha de especificações para um permutador de calor de invólucro e tubo.
Quando as unidades são colocadas em serviço, é importante recolher todos os dados operacionais relevantes, pois é quando o permutador está no seu melhor com a máxima eficiência de transferência de calor. Normalmente, os dados não correspondem exatamente à folha de especificações, mas servem como a linha de base para o futuro. Dados importantes para fluxos de entrada e saída são descritos na Figura 6.46 e incluem o seguinte:
Também são altamente importantes os diagramas de fluxo de processo (PFD) e os diagramas de processo e instrumento (P&ID) que descrevem claramente o equipamento e a tubagem dentro de uma operação da unidade, incluindo taxas de fluxo, pressões e temperaturas na capacidade total. Para fábricas como refinarias, produção química e outras instalações semelhantes, é necessário um grande número de diagramas. Um erro frequente em muitas fábricas foi a falta de documentação para modificações de tubagens e equipamentos. Isto torna-se ainda mais problemático quando são feitas alterações às tubagens subterrâneas sem a documentação adequada.
Os problemas comuns que afetam materialmente os permutadores de calor e/ou o desempenho incluem:
Outro erro comum, e especialmente em plantas com muitos trocadores de calor, é monitorar todos os trocadores de forma bastante superficial e ignorar dados de unidades individuais que sugerem um problema grave. A alocação de recursos para que o pessoal se concentre melhor na operação do permutador de calor pode ser benéfica na descoberta e correção de problemas antes que se tornem grandes problemas.
Foram feitos avanços extraordinários no desenvolvimento de instrumentos online e algoritmos de análise de dados para monitorizar o desempenho do equipamento, fornecer leituras à sala de controlo e operadores auxiliares e, em alguns casos, fazer ajustes automáticos ao equipamento, como bombas de alimentação química para tratamento de água. Os custos podem muitas vezes ser justificados muitas vezes através da identificação precoce de condições desfavoráveis para permitir uma ação corretiva imediata que previne a perda de eficiência ou mesmo a falha do equipamento.
Informações importantes que os sistemas de dados recolhem incluem:
A secção seguinte e final fornece detalhes adicionais relativamente à monitorização do desempenho do condensador de vapor.
A indústria de energia continua a sofrer muitas mudanças. A geração de energia a carvão tem estado num declínio acentuado em muitas áreas do mundo devido a preocupações climáticas e esforços para reduzir as emissões de CO2. Além das tecnologias de energia renovável, a geração de energia de ciclo combinado está a substituir as unidades de carvão. Uma parte significativa da energia de ciclo combinado é produzida por geradores de vapor de recuperação de calor (HRSGs) e turbinas a vapor acompanhantes, cuja fonte de calor é o gás de escape da turbina de combustão. Embora os ACCs estejam se tornando mais comuns para o resfriamento de exaustão de turbinas a vapor, muitos HRSGs ainda têm condensadores resfriados por água. Para fábricas com estes condensadores, várias medições são muito eficazes para monitorizar o desempenho.
As três medições de temperatura críticas para avaliar o desempenho do condensador são a entrada e saída de água de arrefecimento e o vapor condensado que se acumula no poço de calor. Claro que as temperaturas de entrada e saída sofrerão sempre alterações sazonais, que podem mascarar problemas. A medição principal é o TTD, que para os condensadores é a temperatura do vapor condensado menos a temperatura de saída da água de arrefecimento. Quando os dados TTD são recolhidos ao longo do tempo a uma carga unitária consistente, de preferência a carga total, as leituras devem permanecer estáveis se o condensador estiver a funcionar correctamente. Os fatores que impedem a transferência de calor e induzem um aumento de TTD são incrustações no lado da água ou formação de incrustações, ou fuga de ar em excesso no lado do vapor.
Há anos, o HEI desenvolveu cálculos que utilizam as leituras de temperatura acima mencionadas juntamente com os dados do material do tubo do condensador, número total de tubos e número de tubos obstruídos, dimensões do tubo, incluindo comprimento, diâmetro e espessura da parede, número de passagens (normalmente 1 ou 2) e taxa de fluxo da água de arrefecimento para gerar o que é conhecido como fator de limpeza (CF) do condensador. O programa calcula um coeficiente de transferência de calor (Ud) e um coeficiente de transferência de calor real (Ua), em que Ua/Ud* 100 é a CF em percentagem. Teoricamente, o CF deve ser de cerca de 85% para um condensador limpo sem tubos obstruídos, mas o valor é específico para cada unidade individual. Por conseguinte, os dados devem ser recolhidos no arranque do condensador ou após a limpeza do tubo para servirem de linha de base para monitorização contínua. O programa pode ser muito eficaz na detecção da perda gradual da transferência de calor, desde incrustação do lado da água ou incrustação microbiológica, até ao excesso de fuga de ar no lado do vapor.
A enorme diminuição do volume quando o vapor de exaustão da turbina se converte em água no condensador induz um vácuo muito forte. No inverno, com água fria de arrefecimento, o vácuo pode atingir cerca de 1 polegada (Hg) acima da pressão absoluta (-29,92 polegadas de manómetro ao nível do mar). Este valor é conhecido como a contrapressão do condensador. Ele aumentará durante a primavera e o verão, que é uma das razões pelas quais os sistemas de água de resfriamento da usina costumam ter várias bombas, de modo que a taxa de fluxo de água de resfriamento possa ser aumentada durante os meses de tempo quente. A contrapressão é uma ferramenta valiosa para monitorizar o desempenho do condensador, reconhecendo que irá subir cerca de 5 a 10 centímetros do inverno ao verão. Se a incrustação do condensador induzir contrapressões mais elevadas, os requisitos e custos do combustível podem aumentar drasticamente. Para além desse problema, as turbinas são concebidas para disparar offline se a contrapressão subir muito mais do que o máximo normal de verão. Uma viagem em unidade durante um pico de verão pode ser extremamente cara.
Como nota adicional, é o forte vácuo gerado no condensador que puxa o ar ambiente em irregularidades estruturais ou falhas no condensador ou em quaisquer sistemas auxiliares circundantes. Uma ocorrência comum é uma fissura súbita na armação do condensador. Se a entrada de ar for superior à que pode ser manuseada pelo sistema de remoção de ar, o ar em excesso formará bolsas no condensador e restringirá significativamente a transferência de calor. Um bomprograma de FCirá muitas vezes detetar esses problemas muito rapidamente.
A incrustação ou incrustação do condensador impede o fluxo do fluido e irá aparecer como um aumento na pressão de descarga da bomba de circulação. Geralmente, a pressão de descarga varia de 20 a 80 psi, dependendo do equipamento servido e das elevações. Por outro lado, ao longo do tempo, o fluxo circulante da bomba tende a diminuir devido à degradação do impelor. Durante muito tempo, a medição precisa de fluxos tão grandes no terreno era quase impossível, mas os novos instrumentos oferecem soluções para esse problema.
Este capítulo descreveu aspectos fundamentais importantes do permutador de calor em instalações industriais e centrais elétricas. Muitas variedades de permutadores estão disponíveis, com inúmeras metalurgias possíveis. Estes detalhes são muito importantes ao selecionar e implementarprogramas de tratamento químicopara proteger os sistemas de refrigeração contracorrosão, incrustação e incrustação microbiológica. Por este motivo, as instalações industriais e outras instalações podem beneficiar muito do tratamento da torre de refrigeração. Assumimos estas questões químicas no próximo capítulo.
A descuidada está empenhada em fornecer soluções de tratamento de água especializadas. Mantemos certificações de sistemas de gestão ambiental e de qualidade para provar a nossa experiência enquanto empresa de tratamento de águas e fornecer soluções personalizadas para cada cliente. Se pretende aumentar a eficiência e a fiabilidade dos seus sistemas de arrefecimento de água,contacte a deteção de água hojepara entrar em contacto com um representante local para saber como pode transformar as suas operações.
Consultor de Pessoal Técnico Sénior
Tom Nix é um especialista técnico de confiança com décadas de experiência em tratamento de água industrial. O Nix é bem versado em uma ampla gama de aplicações, incluindo clarificação afluente, amolecimento, desmineralização, osmose reversa, tratamento de água de resfriamento, tratamento de caldeiras de baixa e alta pressão e tratamento de efluentes. Possui uma licenciatura em Biologia Ambiental pela Universidade do Texas em Austin.
Presidente da Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker é presidente da Buecker & Associates, LLC e, mais recentemente, foi Publicista Técnico Sénior na descrição da desb. Tem mais de quatro décadas de experiência ou apoio à indústria de energia, grande parte dela em química de geração de vapor, tratamento de água e controlo de qualidade do ar. Buecker tem uma licenciatura em Química pela Iowa State University. Foi autor ou coautor de mais de 250 artigos para várias revistas técnicas de comércio e escreveu três livros sobre química de centrais elétricas e controlo da poluição atmosférica. Participa no Conselho Consultivo Editorial de Tecnologia da Água e é membro do comité de planeamento da ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (agora AMPP) e da Oficina de Química de Serviços Eléctricos.
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