Torres de resfriamento - Águaviva Tecnologia
As torres de resfriamento evaporativo (ou torres de arrefecimento) são um tipo de equipamento industrial utilizado para realizar a dissipação do calor residual do processo, enviando-o para a atmosfera. Dessa forma, como praticamente todo processo industrial possui alguma etapa de geração de calor, este equipamento é comumente encontrado nos mais diversos setores.
A água aquecida proveniente de uma fonte geradora de calor (fornos, trocador de calor, injetoras, etc.) é enviada para a Torre de Resfriamento. Na parte superior da Torre, a água é aspergida de forma a diminuir o tamanho da gota, aumentando a área de troca térmica. Nisso, a água escorre pelos enchimentos e ou pela serpentina, o que também aumenta a área de troca térmica, e em contracorrente, o ar a temperatura ambiente entra em contato com a água.
Durante essa operação, dois fenômenos são responsáveis pelo resfriamento da água: a transferência de calor sensível e a evaporação da água. O primeiro fenômeno ocorre simplesmente pela diferença de temperatura entre a água quente e o ar ambiente, onde a fase líquida cede calor à fase gasosa. Já a evaporação da água ocorre devido ao gradiente de concentração de água entre as fases. Para uma boa troca térmica na Torre, o ar que entra no equipamento tem um valor de umidade relativa baixo, o que permite que uma quantidade considerável de água seja transferida para a fase gasosa, até, teoricamente, atingir a saturação. Para que a água possa sair do estado líquido e ir para o estado gasoso ela necessita de energia, essa, que é fornecida pela própria massa de água, acarretando em uma diminuição da sua temperatura.
Tipos de sistemas e escolha
Sistema aberto: Também conhecido como sistema de uma só passagem "once-through", geralmente utilizado em locais onde existe água em abundância com qualidade e temperatura que satisfaçam as mínimas necessidades do processo.
Este sistema é utilizado em algumas unidades de processamento de Gás nos Estados Unidos, e em hidrelétricas, onde a água do mar ou água doce de rios e lagos são captadas e enviadas para as unidades condensadoras, refrigerando o sistema, por fim é descartada próximo ao local de captação com uma temperatura mais elevada.
Esquema ilustrativo de um sistema aberto
Sistema semiaberto: Este sistema é utilizado na maioria das indústrias que possuem disponibilidade limitada de água e elevada fonte geradora de calor. É considerado sistema semiaberto pois a mesma água que entrou em contato com o ar é enviada para o resfriamento do processo, retornando para a Torre de Resfriamento. Neste sistema, caso não haja a adequada operação de limpeza e manutenção, pode ocorrer a concentração de sais e microrganismos que podem danificar os equipamentos e tubulações que compõe o sistema.
Esquema ilustrativo de um sistema semiaberto
Sistema fechado: Nos sistemas fechados a água que refrigera a fonte geradora de calor não entra em contato com o ar atmosférico. Podemos citar como exemplo os sistemas de resfriamento de fornos de indução. O sistema fechado é geralmente empregado onde o equipamento a ser refrigerado necessita de uma água com características e pureza constante, para minimizar os danos causados no equipamento.
Esquema ilustrativo de um sistema fechado
Como a água do sistema fechado não entra em contato com o ar, minimizando o processo de evaporação e contaminação, não ocorre concentração de sais minerais e a proliferação de microrganismo é reduzida. Dessa forma, a completa e total estanqueidade do sistema, é uma variável que, se observada, minimizará os malefícios do meio aquoso, como a corrosão por oxigenação, pois ela garante que o sistema fique isolado do meio externo.
Os sistemas fechados ao serem projetados serão contemplados com uma Torre de Resfriamento de circuito fechado. Esta Torre possui serpentina interna confeccionada em inox, cobre ou aço carbono galvanizado, fechando o circuito de água resfriada e garantindo a preservação das características e a pureza do fluido a ser resfriado. Outra forma de montar um sistema fechado é incorporar um trocador de calor casco tubo ou placas entre a Torre de Resfriamento de circuito aberto e a fonte geradora de calor.
Um sistema de circuito fechado, com Torre com serpentina, tem duas águas circulando, uma água que é refrigerada na Torre de Resfriamento e é aquecida ao tocar a serpentina, e a outra que é resfriada na Torre e aquecida na fonte geradora de calor; e nos sistemas com Torre aberta com trocador de calor também há duas águas circulando: uma água que é refrigerada na Torre de Resfriamento e é aquecida no Trocador de calor, e outra que é resfriada no trocador de calor e é aquecida na fonte geradora de calor.
Escolha do tipo de sistema
a disponibilidade e qualidade da água no local onde se encontra a torre é de extrema importância para a escolha do tipo de sistema. Em locais com água de qualidade em abundância, os sistemas abertos são os mais recomendados. Normalmente, não se encontra com facilidade locais com essas características, principalmente em relação à qualidade da água, sendo comumente necessário aplicar um tratamento.
Dessa forma, temos que os sistemas semiaberto e fechado são os mais utilizados. O fato desses sistemas operarem com a recirculação traz uma grande vantagem em relação aos sistemas abertos, que é a economia de água, pois as únicas perdas se dão por evaporação, arraste e purga, que representam uma fração muito pequena em relação a quantidade de água recirculante.
Outro fator muito importante para se atentar é a qualidade da água exigida pelo processo, por exemplo, para o resfriamento de painéis de fornos de indução, é necessária uma água com uma condutividade muito baixo, para que o fluido não interfira na operação do painel. Nesses casos, o sistema mais recomendado é o fechado, que garante o maior isolamento da água, evitando contaminações externas.
Recomenda-se entrar em contato com os fabricantes dos equipamentos que serão utilizados no processo e solicitar a qualidade da água especificada para o resfriamento do equipamento, principalmente a água interna do circuito selado. Para assim determinar qual o melhor sistema de resfriamento a ser empregado.
As Torres de Resfriamento podem ser classificadas de acordo com a aspersão da água ou na forma de movimentação do ar.
No primeiro caso existem dois métodos básicos: estender a água em fina camadas sobre superfícies (chamada enchimento laminar) ou produzir gotas através do choque da água em sua queda (chamada de respingo ou gotejamento).
Já segundo a classificação pela movimentação do ar, tem-se Torres de Fluxo em Contracorrente (em que o fluxo de água cai verticalmente após passar pelo enchimento enquanto ao mesmo tempo o fluxo de ar sobe verticalmente ocasionando a troca térmica entre o ar e a água) ou Torres de Fluxo Cruzado (o fluxo de água cai verticalmente após passar pelo enchimento, enquanto o fluxo de ar segue na horizontal, ou seja, perpendicular ao fluxo de água ocasionando a troca térmica).
Todavia, a classificação mais difundida e de maior importância na avaliação de Torre de Resfriamento é a baseada na forma de movimentação do ar através da mesma. De acordo com esta classificação, tem-se:
Torres de tiragem Mecânica: Nestes modelos, a utilização de ventiladores para mover o ar através da Torre proporciona um controle total da entrada de ar. Podem ser de Tiragem Mecânica Forçada ou Tiragem Mecânica Induzida.
Torres de Tiragem Mecânica Forçada (Insuflamento de Ar): São Torres nas quais os ventiladores são posicionados na entrada de ar, de tal forma que forçam a passagem do ar através do enchimento.
Torres de Tiragem Mecânica Induzida (Aspiração de Ar): São Torres nas quais os ventiladores são posicionados na saída de ar, geralmente na parte superior da Torre.
Dimensionamento e escolha do sistema/torre.
A escolha do tipo de torre e do sistema, juntamente com um dimensionamento adequado do equipamento para atender às necessidades específicas de cada planta é imprescindível para uma operação correta e segura do sistema, e para isso, diversas variáveis devem ser levadas em consideração.
Um detalhe importante para se atentar na montagem da torre é evitar a utilização de ligas metálicas dissimilares entre si, no que se refere as peças e partes alagadas, pois, diferentes ligas metálicas interligadas sem isolamento entre si podem gerar corrosão galvânica.
A localização / posição disponível para a instalação da Torre de Resfriamento é uma variável crucial para o bom funcionamento do sistema. Ela deverá ser verificada desde a fase inicial do projeto, pois dependendo das restrições existentes, a interferência poderá ser tamanha a ponto de ser determinante para a escolha da Torre a ser instalada. Optar sempre que possível, pela instalação na vertical, ou seja, elevar a Torre, como forma de otimizar o seu funcionamento, pois a Torre ficará elevada, de forma que o ventilador não puxe o ar aquecido pelo solo, nem tão pouco a poeira ambiental e ou de tráfego de veículos automotores.
Esquema apresentando a influência da posição da Torre em sua operação
Além disso, deve-se instalar a Torre de Resfriamento pelo menos 2,5d (duas vezes e meia) o seu diâmetro, longe do primeiro obstáculo, o que permitirá que a eficiência dissipativa, corresponda ao nominal, que além de não resultar em aumento de custos de manutenção e redução de produção, ocasionadas por paradas não programadas e sucessivas por desarme por alta e aquecimento, proporcionará economia de energia elétrica, menor desgaste de peças e partes, prolongamento da vida útil da Torre e funcionamento da planta dentro da programação. E para casos onde seja necessário a instalação de mais do que uma Torre em uma mesma localização, deverá ser respeitado o afastamento lateral de 1,5h ("h" sendo a altura do equipamento) até o anteparo lateral.
As torres de resfriamento necessitam de constante manutenção para que seja possível manter as condições ideais de operação. Os cuidados com equipamentos vão desde serviços de rotina, como aspiração da bacia e purga, como também serviços periódicos de limpeza no sistema de dispersão da água, limpeza do recheio da torre e troca de eventuais partes ou peças desgastadas. Dessa forma, posicionar a torre em um local em que permita o fácil acesso a todos seus componentes acaba por facilitar muito os processos de manutenção.
Os últimos detalhes a se atentar em relação à localização geográfica da torre, é que elas não devem estar próximas a fonte geradora, transportadora e ou refletora de calor, como também não deverão ser instaladas embaixo de linhas de alta tensão.
As condições climáticas são outra variável de suma importância para a operação correta da torre, pois está diretamente relacionado com a eficiência dissipativa de calor. O ar atmosférico está sujeito a variações constantes de sua temperatura e umidade, essas, que ocorrem de forma aleatória. Outras oscilações de propriedades que podem influenciar a operação são: picos de aquecimento locais, aumento de produção, variações na qualidade da água, variações na qualidade do ar, perda de eficiência dos motores, variações no controle do processo, aumento no consumo de energia, diminuição na eficiência de troca térmica dos equipamentos, mudanças de layout, entre outras.
Devido à existência dessas variações de condições ambientais e de processo, é imprescindível considerar um coeficiente de segurança em relação à carga térmica da torre. Normalmente adota-se um valor desse coeficiente de 0,3, ou seja, considera-se uma carga térmica 30% maior, ou simplesmente, multiplica-se o valor de carga térmica por 1,3. Se o processo e o ambiente possuírem oscilações consideráveis é interessante aumentar o coeficiente de segurança. O coeficiente de segurança serve para absorver as oscilações, evitando a parada do processo pelo aquecimento por alta de temperatura.
Por último, imprescindível que nos atentamos à qualidade da água que circula no sistema. Quando pensamos nessa variável, estamos analisando a presença e concentração de compostos químicos que estejam dissolvidos. Certos componentes são críticos para a operação da torre, tais como: cloretos e sulfatos (agentes corrosivos), cálcio, magnésio e alcalinidade (agentes incrustantes), matéria orgânica (matéria prima para o desenvolvimento microbiológico) e o próprio pH (ácido favorece corrosão, básico favorece incrustação).
Mesmo que todas as recomendações citadas acima sejam seguidas, se não houver o tratamento e o monitoramento adequado da água, a torre começará a apresentar problemas na sua operação. Dessa forma, é extremamente necessário analisar a qualidade da água, para assim definir a dosagem ótima de produtos para atender às necessidades específicas de cada sistema.