Perda de água em torres de resfriamento | Termoparts
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Porque torres de resfriamento perdem água? Perda de água é importante para torres de resfriamento? Desde a crise hídrica de 2014, que atingiu de forma mais severa a região Sudeste e principalmente o Estado de São Paulo, a preocupação com as perdas de água nos processos industriais vem aumentando significativamente, e as Torres de Resfriamento de água foram incluídas na lista dos vilões do consumo de água.
Apresentamos aqui um estudo que aborda especificamente as perdas de água neste equipamento, visando esclarecer como estas perdas ocorrem, sua importância e as soluções hoje disponíveis para reduzí-las.
1. Como ocorrem as perdas de água em torres de resfriamento
A perda de água em torres de resfriamento não deve ultrapassar, em tese, o limite de 2% da água em circulação, mas, na prática, ela costuma ultrapassar esse limite chegando a atingir de 3 a 5% da vazão.
A princípio este conceito de vazão é importante, pois, por conta de uma ideia equivocada, muitos acreditam que este fator de perda se dá de forma diária e em relação ao total de água existente no sistema, ou seja, um percentual sobre a água acumulada na bacia de água fria, na tubulação do sistema, nos reservatórios eventualmente existentes no circuito e em outros pontos de acúmulo de água. Porém, as perdas são contabilizadas na passagem de água pela Torre de Resfriamento, ou seja, cada vez que o sistema realiza um ciclo completo de passagem de água pelo equipamento. O percentual de perda ocorrerá neste montante de água, a cada passagem da água.
Desta forma, as perdas podem parecer pequenas, mas na verdade podem atingir níveis muito elevados e bastante preocupantes.
Dentre as principais causas de perda de água que temos conhecimento e constatamos na prática, citamos as seguintes:
a) Perdas por evaporação em torres de resfriamento
A evaporação é um processo natural e inevitável em Torres de Resfriamento, e em condições mais críticas já sabemos que pode chegar a níveis elevados, provocando até 3 ou 4% de perdas.
Antes de mais nada a evaporação depende de diversos fatores, principalmente da carga térmica de operação do equipamento, da vazão de água, das temperaturas envolvidas no processo (temperatura de entrada, de saída, de bulbo úmido e de bulbo seco), das condições de operação do sistema ventilação da torre (trataremos disso no final deste estudo), além de outros fatores de menor influência.
As condições climáticas presentes em países tropicais, como em boa parte do Brasil, favorecem o resfriamento por evaporação (calor latente).
Em países mais frios, a evaporação é menos significativa no processo de resfriamento. Desta forma, no Brasil, temos uma maior perda de água por evaporação, principalmente nos períodos mais quentes e naqueles estados situados entre os Trópicos de Câncer e Capricórnio, a maior parte do Brasil.
O clima tropical caracteriza-se por temperaturas médias elevadas, entre 25 e 32ºC, e baixa amplitude térmica anual (variação entre a temperatura máxima e mínima)
Não existem, ainda, soluções viáveis para a recuperação da água decorrente destas perdas no processo evaporativo, mas algumas soluções podem provocar uma redução significativa de seu impacto, entre elas:
Maior eficiência do sistema de troca térmica reduzindo os diferenciais de temperatura;
Maior eficiência do sistema de retenção de gotas arrastadas pelo fluxo de ar (diminuindo a área molhada e a permanência de gotas no conjunto retentor de gotas);
Controle sobre a vazão de ar (o aumento de vazão de ar provoca um aumento da evaporação), que deve operar de acordo com a necessidade do sistema (veremos isso de forma mais detalhada adiante);
b) Perdas por arraste em torres de resfriamento
A água quente precisa ser distribuída de forma mais uniforme possível sobre o conjunto de enchimento para a maior eficiência de troca térmica. Para atingir este objetivo, são utilizados elementos chamados de "bicos aspersores de água" no sistema de entrada de água (tubulação ou canais abertos).
Bico aspersor utilizado em torres de resfriamento
Antes de mais nada a função do bico aspersor é dispersar a água, em forma de gotas, atingindo toda a área do conjunto de enchimento da torre. Quanto menor o tamanho das gotas, melhor o resultado.
Porém, gotas muito pequenas e, portanto, com menor massa (menor peso) podem ser arrastadas pelo fluxo de ar gerado pelo conjunto de ventilação da torre (sistema de motorização e hélice) e arremessadas para fora da torre.
Muitas vezes esse efeito é perceptível, sentido por quem está ao redor do equipamento e é atingido pelas gotículas que caem, ou pode ser percebido também pela área molhada que se forma em torno do equipamento. Mas, muitas vezes, dependendo da velocidade do ar e do tamanho das gotas, elas acabam evaporando antes de serem notadas.
Esse arraste de gotas pode ser muito elevado e, dependendo do projeto, pode representar até 3% da vazão de água.
Para reduzir estas perdas, utilizam-se painéis conhecidos como "eliminadores de gotas", ou "retentores de gotas".
Painel eliminador de gotas
O formato dos perfis que formam o conjunto eliminador de gotas favorece a retenção das gotículas em sua superfície, que vão se acumulando, ganham massa (peso) e caem de volta ao interior da torre (retorno por gravidade).
A eficiência do conjunto eliminador de gotas é muito grande, reduzindo as perdas para até menos de 0,1% do total da água circulante no sistema (não é perda diária da capacidade do sistema e sim perda contínua).
Além de preservar os componentes do tratamento químico (reduzindo o seu consumo) e melhorar o direcionamento do fluxo de ar aumentando a eficiência do equipamento, o conjunto eliminador de gotas exerce um papel muito importante na redução das perdas de água por arraste. Esta perda é considerada mais prejudicial do que a perda por evaporação.
Neste ponto cabe um alerta importante.
Nos últimos anos surgiram alguns fabricantes de "peças injetadas" que desconhecem totalmente a tecnologia envolvida no projeto e no funcionamento de Torres de Resfriamento. São empresas que fabricam produtos diversos para todo tipo de mercado, e que, além de tentar copiar alguns componentes utilizados nas torres, ainda "identificaram" possibilidades de redução de custos destas peças, aumentando o espaçamento entre as lâminas do painel (para menor consumo de matéria prima), eliminando as lâminas axiais auxiliares de retenção e diminuindo a altura dos perfis ou até o seu formato.
Como estes fabricantes não conhecem os produtos que estão fabricando, eles simplesmente copiam as especificações técnicas e curvas de operação que empresas especializadas publicam de seus produtos verdadeiramente funcionais.
Um painel eliminador de gotas eficiente consegue reter até 99,9% das gotas arrastadas, enquanto que as cópias do mercado conseguem reter no máximo 75% ou até menos.
Além disso, existem tipos diferentes de eliminadores de gotas que são indicados para cada caso, observando a velocidade de passagem do ar, pressão, características internas do sistema de distribuição de água, etc. Porém, estas cópias são oferecidas para qualquer aplicação, fornecendo um rendimento muito baixo e acarretando, além da perda de água, uma série de outros problemas, como elevado consumo de insumos para tratamento de água, perda de rendimento por falta de uniformidade do fluxo de ar, baixa resistência mecânica, etc.
Estes produtos de baixa qualidade apresentam reduzida durabilidade por utilizar material reciclado de baixa qualidade (PP ou PVC), que ressecam com o tempo, se tornando quebradiço, e chegando a esfarelar e atingir a borda de ataque da hélice, provocando danos a esta.
Como o painel eliminador de gotas fica situado no caminho do fluxo de ar forçado (criado pelo conjunto ventilador), ele acaba se tornando um obstáculo ao fluxo (mesmo possuindo um perfil aerodinâmico), provocando uma perda de carga no sistema. Esta perda é compensada pelo projetista com um leve aumento da vazão de ar. Como os eliminadores de gotas de baixa qualidade apresentam lâminas mais espaçadas e finas, com perfis inadequados e ausência das aletas auxiliares de retenção, eles apresentam menor perda de carga fazendo com que a velocidade do ar aumente e provoque maior arraste de gotas, ou seja, um efeito contrário ao desejado.
Como havíamos antecipado na abordagem sobre perdas por evaporação, o conjunto eliminador de gotas exerce um papel importante na redução da perda de água por evaporação. Em função do seu formato, ele favorece a formação de condensação do vapor da água evaporada em sua superfície, provocando um efeito similar ao da retenção de gotas, aumentando a concentração de água e forçando o seu retorno para a torre pelo aumento da massa.
Além disso, se a eficiência do conjunto eliminador de gotas for baixa, as gotas muito pequenas acabarão evaporadas antes de ganharem massa e caírem de volta ao interior da torre.
Portanto, o conjunto eliminador de gotas também representa um papel importante na redução da perda por evaporação.
c) Perdas por purga e drenagem
Os processos de purga e drenagem são importantes para a manutenção da qualidade da água do sistema e para a melhor eficiência do seu tratamento químico.
A redução das partículas sólidas indesejadas na água normalmente é feita através de um processo automático, mas também pode ser realizada manualmente, e, dependendo da qualidade da água e do processo contaminante, ela pode provocar uma perda bastante significativa se não for realizada com critérios técnicos adequados.
Já medimos perdas de até 3% além da necessária por conta de processos de purga mal dimensionados ou com falhas de funcionamento.
O sistema de tratamento de água, purga e drenagem deve ser verificado periodicamente, e deve estar previsto no plano de inspeção e manutenção preventiva do equipamento.
d) Perdas pela entrada de ar
As gotas de água que atravessam o conjunto de enchimento deveriam seguir na sua totalidade para a bacia de água fria, porém, uma parte dessa água pode ser perdida pelas entradas de ar da torre.
As entradas de ar da torre são necessárias para a formação do fluxo de ar, e localizam-se na parte mais baixa da torre para justamente proporcionar um percurso mais longo ao fluxo, aumentando, assim, a eficiência do resfriamento das gotas de água.
As gotas que caem na periferia do enchimento ou descem pelo lado interno das paredes da torre passam muito perto das entradas de ar, e, desta forma, podem atingir o meio externo.
Neste caso, o problema é bastante reduzido pelo fluxo de ar na entrada das venezianas, que acaba criando uma leve pressão para que essas gotas se desviem para o interior da torre, ou, pelo menos, não sofram a tendência de inclinarem-se para fora dela.
Já a água que desce pelas paredes não está no formato de gotas. Normalmente ela desce mais concentrada e até formando um lençol de água, e pode facilmente deslocar-se para fora da torre.
Isto decorre das características do sistema de distribuição e aspersão de água.
Como a água é espalhada pelos bicos em todas as direções, é natural que, de forma indesejada, uma parte dessa água atinja as paredes da torre.
Para evitar este problema com a água que desce pelas paredes, os fabricantes (nem todos) tomam duas providências. A primeira é evitar que a água atinja as paredes, utilizando para isso painéis defletores nos bicos aspersores, direcionando para o interior do enchimento a água que seria dispersada para as paredes.
A segunda solução é a utilização de venezianas na entrada de ar que, entre outras funções e por conta de seu formato, conduzem a água que desce das paredes para dentro da bacia de água fria (fundo da torre).
Primordialmente o problema com a primeira solução de utilizar defletores no bico é que nem todos os fabricantes utilizam esse recurso.
Como a maioria dos bicos abre a água de forma circular (existem bicos com distribuição quadrada de água mas são poucos utilizados em função do seu custo), e o formato circular cria áreas secas, os fabricantes sobrepõem a água aspergida pelos bicos, e sem os painéis defletores, uma parte dessa água atinge as paredes. Isso provoca, ainda, uma perda de rendimento da torre, já que a água que desce pelas paredes não se aproveita dos efeitos do conjunto de enchimento que diminui a sua velocidade, para que ela tenha mais contato com o fluxo de ar, e ainda reduz a superfície molhada, tão necessária ao processo de resfriamento.
Os fabricantes afirmam que essas perdas térmicas são compensadas no projeto, mas ignoram as demais consequências.
Além disso, a água que desce pelas paredes não é resfriada como aquela que passa pelo enchimento. É possível perceber facilmente, e sem qualquer equipamento, apenas colocando o braço estendido no interior da torre, que a água que desce pelas paredes está bem mais quente do que aquela oriunda do enchimento. Esta água mais quente sofre uma evaporação mais rápida que a água resfriada.
A solução para isso é a utilização de painéis defletores nos bicos.
Normalmente bicos mal copiados pelo mercado de injeção não especializado sequer fornecem essa opção.
Além disso, é importante manter as venezianas sempre em boas condições.
e) Perdas por baixa eficiência
A baixa eficiência de uma Torre de Resfriamento exige maior circulação de água, aumenta a temperatura da água fria provocando maior evaporação, e força o sistema de ventilação (monitorado) a trabalhar além do necessário para o resfriamento da água (o que também contribui para o aumento da perda por arraste).
A baixa eficiência pode nascer com o projeto, coisa que já tratamos recentemente em um estudo sobre o subdimensionamento de torres por parte de alguns fabricantes, mas pode ter origem em problemas de funcionamento do equipamento, por falhas de componentes ou manutenção inadequada. É importante seguir o plano de manutenção de uma Torre de Resfriamento como se faz com qualquer outro equipamento.
As principais razões para a baixa eficiência de uma Torre de Resfriamento, supondo que o projeto esteja corretamente definido e a torre está corretamente dimensionada para a demanda atual, são, entre outros:
Redução natural da sua capacidade de resfriamento em função das mudanças climáticas (aumento regional da temperatura de bulbo úmido);
Enchimento danificado, entupido ou com elevado índice de inscrustações;
Problemas no conjunto de ventilação (na velocidade de rotação ou no ajuste do ângulo das pás da hélice);
Bicos danificados, de baixa qualidade, ausentes ou entupidos;
Bomba de água deficiente;
Eliminador de gotas de baixa qualidade ou deficiente;
f) Perdas por vazamentos
As perdas por vazamentos são fáceis de entender, porém, nem sempre o vazamento é visível.
Trincas eu pequenas fissuras na bacia de água fria podem causar perda de água que não são facilmente notadas dependendo da forma de instalação da torre.
Alguns vazamentos podem parecer pequenos e até bastante inofensivos, mas nos enganam quanto ao real volume de perda de água.
Existem muitas formas de corrigir os vazamentos de água de uma Torre de Resfriamento, mesmo em alguns casos mais graves e muitas vezes com ela funcionando.
2. Considerações sobre o conjunto mecânico de ventilação
Conforme antecipamos anteriormente, abordaremos a importância do conjunto ventilador na perda de água da torre.
Conjunto ventilador de uma torre de resfriamento
Sabemos que mesmo a água fria evapora, e este efeito de evaporação é intensificado com a circulação de ar, que no caso de uma Torre de Resfriamento é forçado e de grande intensidade. O problema começa quando a necessidade de resfriamento reduz, por conta da menor demanda ou até variações do processo, e a simples circulação de água sem vazão de ar ou uma vazão reduzida de ar seria suficiente para oferecer o resfriamento desejado.
Neste caso, um sistema de ventilação operando continuamente e com vazão máxima vai provocar uma evaporação desnecessária, ocasionando uma perda de água também indesejada.
Atualmente com o advento de novas tecnologias em hélices, motores e controles de automatização, sistemas específicos foram criados para serem implementados em Torres de Resfriamento. Estas tecnologias, além de reduzir substancialmente as pedras de água por evaporação e arraste, se pagam rapidamente pela redução do consumo de energia elétrica.
Apesar de amplamente utilizados hoje em vários países, só recentemente o Brasil vem aderindo a estas tecnologias que podem ser aplicadas em torres já instaladas e, inclusive, mais antigas.
São muitas as vantagens oferecidas pela atualização das Torres de Resfriamento. Poucos sabem, e muitos fabricantes também não querem que isso seja divulgado, mas em muitos casos a atualização ou recapacitação de uma torre evita a sua substituição ou a necessidade de aquisição de torres novas que exigem, além do investimento no equipamento, custos com a sua instalação e readequação de bombas, válvulas, tubulações, piso, etc.
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