1. EFICNCIA ENERGTICA

Atualmente, qualquer atividade da sociedade moderna somente possvel graas utilizao de diferentes tipos de energia, que em sua maioria so processadas pela prpria sociedade e colocada disposio dos consumidores onde e quando necessrias, tais como a eletricidade, a gasolina, o lcool, leo diesel, gs natural, etc.Para a melhor utilizao da energia, busca-se constantemente o uso mais adequado das fontes de energia com o objetivo de diminuir ou eliminar possveis desperdcios, fabricao de equipamentos mais eficientes visando o melhor aproveitamento da energia, buscar novas fontes de energia tais como energias renovveis, ou ainda, aperfeioar o sistema controle de processos para que os equipamentos trabalhem com a capacidade mxima quando exigidos.A seguir, vejamos alguns exemplos:

Fig. 1 Energias Renovveis

Fig. 2 Controle de Velocidade dos Motores de Torres de Resfriamento

Fig. 3 Utilizao de Equipamentos de Alto Rendimento

Os principais objetivos da Eficincia Energtica so melhorar a produtividade e reduzir custos sobre a utilizao da energia, porm para que o retorno esperado seja alcanado, necessrio realizar um estudo detalhado de cada caso para que seja aplicado o melhor sistema.Neste Projeto Integrador, veremos um exemplo de controle de velocidade de motor aplicado a uma Torre de Resfriamento.

2. TORRES DE RESFRIAMENTOEm muitos sistemas de refrigerao, ar condicionado e processos industriais, gera-se calor que deve ser extrado e dissipado. Geralmente utiliza-se gua como elemento de resfriamento. Se existe gua disponvel em quantidade suficiente e temperatura adequada, sem problemas econmicos ou ecolgicos, basta utiliz-la de maneira contnua retirando, por exemplo, de um rio. Se esta soluo no for possvel ou for invivel economicamente ou ecologicamente, o procedimento mais comum empregar uma torre de resfriamento que permite atravs da evaporao de uma pequena quantidade de gua, transmitir calor para o ar de forma que gua possa ser empregada novamente para resfriamento, devendo-se repor ao circuito apenas a parte de gua perdida por evaporao. Assim, uma torre de resfriamento uma instalao para resfriamento de gua atravs do contato com o ar atmosfrico, como mostra a Figura 4.

Fig. 4 - Instalao com torre de resfriamento.

2.1 Tipos de Torres de Resfriamento

Os mtodos para expor a gua corrente de ar so numerosos, tendo cada um suas vantagens especficas que devem ser consideradas de acordo com a aplicao e o rendimento requerido em cada caso.Uma primeira classificao pode ser feita em funo da forma com que a gua distribuda para se obter um bom contato com o ar ascendente. Existem dois mtodos bsicos: estender a gua em finas camadas sobre superfcies ou produzir gotas atravs do choque da gua em sua queda como mostra a Figura 5.

Fig. 5 - Sistemas de distribuio de gua.

Uma segunda classificao a que se baseia no fluxo relativo entre as correntes de gua e ar (Figura 6). De acordo com esse critrio tem-se: Torres de fluxo em contracorrente; Torres de fluxo cruzado.

Fig. 6 - Relao entre os fluxos de gua e ar

2.2. Comparao entre ambos os sistemas: Nas torres de fluxo em contracorrente a gua mais fria entra em contato com o ar mais seco alcanando a mxima eficincia; Nas torres de fluxo cruzado o acesso aos elementos mecnicos e ao sistema de distribuio mais fcil; Nas torres de fluxo cruzado a entrada de ar pode abranger toda a altura da torre, tendo como consequncia torres mais baixas, reduzindo assim a potncia de bombeamento; Nas torres de fluxo em contracorrente existe menor risco de recirculao de ar.

A classificao mais difundida e de maior importncia na avaliao de torres de resfriamento aquela baseada na forma de movimentao do ar atravs da mesma. De acordo com essa classificao tm-se quatro tipos de torres: Torres atmosfricas; Torres de tiragem mecnica forada ou induzida.

2.4. Torres atmosfricas Nesse tipo de torre a gua cai em fluxo cruzado em relao ao movimento horizontal do ar, produzindo certo efeito de contracorrente devido as correntes de conveco produzidas pela gua quente. O movimento do ar depende principalmente do vento. Principais caractersticas: Alto tempo de vida com baixo os custos de manuteno; No se produz recirculao do ar utilizado; A torre precisa ser localizada num espao amplo; Devido a sua altura preciso uma ancoragem segura contra o vento; A torre deve ser orientada na direo dos ventos dominantes; A temperatura da gua varia com a direo e a velocidade do vento; No possvel atingir uma pequena temperatura de aproximao; Custo quase to alto quanto o de uma torre com elementos mecnicos.

Em relao a esse tipo de torre, pode-se distinguir entre as que no possuem enchimento e as que possuem enchimento de respingo (Figura 7). Estas ltimas possuem um comportamento muito melhor que as anteriores, porm, em qualquer caso, as torres atmosfricas esto ultrapassadas e constituem uma mnima parte das torres existentes.

Fig. 7 - Torres atmosfricas.

2.4.1 Torres de Tiragem Mecnica

A utilizao de ventiladores para mover o ar atravs da torre proporciona um controle total da entrada de ar. Podem ser de tiragem mecnica ou Induzida. As suas principais caractersticas so:Compactas, necessitam de pouca superfcie;

Controle fino da temperatura da gua fria; Menor altura de bombeamento; A orientao da torre no determinada pelos ventos dominantes; As falhas mecnicas reduzem bastante a confiabilidade; A potncia de ventilao pode ser importante, aumentando os gastos de operao; A recirculao do ar usado deve ser evitada, pois a eficincia afetada; Os custos de operao e manuteno so maiores que os das torres de tiragem natural; Os rudos e vibraes produzidos pelos ventiladores podem constituir um problema, dependendo da localizao.

2.4.2 Torres de tiragem mecnica forada

So torres nas quais os ventiladores so posicionados na entrada de ar, de tal forma que foram o ar atravs do enchimento (Figura 8). As suas principais caractersticas so: Equipamento mecnico se encontra no nvel do solo; mais eficiente que a corrente induzida (apresentada a seguir), j que a velocidade da corrente de ar convertida em presso esttica, realizando um trabalho til, alm disso, o ventilador trabalha com ar frio com densidade maior que no caso da tiragem induzida; Os equipamentos mecnicos se encontram situados em uma corrente de ar relativamente seca e so de fcil acesso para manuteno Tamanho do ventilador limitado, necessitando de um grande nmero de ventiladores pequenos e de maior velocidade, comparado com uma instalao de tiragem induzida. Consequentemente, o nvel de rudo maior; Existe tendncia de formao de gelo nos ventiladores durante as pocas frias com consequente obstruo da entrada de ar; Alguns tipos apresentam problemas de recirculao de ar usado em direo a zona de baixa presso criada pelo ventilador na entrada de ar, especialmente quando a velocidade de sada do ar baixa.

Fig. 8 - Torre de tiragem forada.

2.4.3 Torres de tiragem mecnica induzida

So torres nas quais os ventiladores so posicionados na sada de ar, geralmente na parte superior da torre (Figura 9). As suas principais caractersticas so: possvel instalar grandes ventiladores, de forma que podem ser mantidos velocidades e nveis de rudo baixos; O ar entra a uma velocidade considervel, podendo arrastar consigo corpos estranhos. Podem ser instalados filtros de ar; Devido s altas velocidades de sada do ar, os problemas de recirculao so bastante reduzidos; Tendncia a produzir vibraes devido a montagem do ventilador sobre a estrutura; Os elementos mecnicos so de difcil acesso e encontram-se submergidos em uma corrente de ar mido e quente; Menor superfcie ocupada que o sistema mecnico forado, devido a ausncia de ventiladores ao redor da torre.

Fig. 9 - Torre de tiragem induzida.

2.5 Descrio dos sistemas vinculados a utilizao de energia

2.5.1 Sistema de Distribuio de gua Os sistemas de distribuio de gua so classificados como: Por gravidade;

Por presso.

O sistema por gravidade utilizado quase sempre com torres de fluxo cruzado, enquanto que em torres de contracorrente geralmente utilizado o sistema por presso.

2.5.1.1Sistema por gravidade (Figura 10)

Sua principal vantagem consiste na pequena altura de bombeamento requerido, a qual conduz a baixos custos de operao. A regulagem da vazo de gua por clula, necessria para atingir a mxima eficincia, feita mediante a simples inspeo visual e a conseguinte variao do nvel de gua na bandeja. A manuteno das bandejas abertas no oferece problemas e pode ser realizada inclusive com a torre em operao.Raramente se utiliza este sistema para torres com fluxo em contracorrente, devido s dificuldades de projeto ae ajuste da distribuio de gua. Ocorre interferncia com o fluxo de ar.

Fig. 10 - Sistema de distribuio por gravidade.

2.5.1.2 Sistema Por Presso

A maior parte das torres com fluxo em contracorrente se encontram equipadas com sistemas de pulverizao por presso com os bicos voltados para baixo. Este sistema atua no s como distribuidor de gua como tambm contribui diretamente com o rendimento da torre. Os problemas associados com esse tipo de sistema so principalmente de manuteno e regulagem do fluxo de gua. A sujeira acumulada nos ramais e nos pulverizadores de difcil limpeza, alm disso, estes se encontram posicionados abaixo dos eliminadores de gotas. Existe ainda o problema de se igualar a vazo nas diferentes clulas, que um requisito imprescindvel para se conseguir o funcionamento adequado da torre. A Figura 8 apresenta um sistema por presso com distribuio atravs de tubulao fixa, enquanto a Figura 9 apresenta um sistema por presso rotativo. O primeiro constitudo por um coletor central, do qual parte uma srie de ramais laterais, equidistantes e simtricos, de tal forma que a rede formada cobre a superfcie da torre, repartindo a vazo de gua de forma homognea. A velocidade da gua nos ramais oscilam entre 1,5 e 2,0 m/s. Os distribuidores rotativos possuem um coletor vertical central com braos horizontais que cobrem diametralmente a planta da torre, que deve necessariamente ser circular. O movimento do brao produzido devido a uma fora de reao ao movimento de sada da gua sob presso atravs dos pulverizadores, que formam um determinado ngulo com a vertical.

2.5.2 Enchimento

O enchimento nas torres tem como misso acelerar a dissipao de calor. Isto conseguido aumentando-se o tempo de contato entre a gua e o ar, favorecendo a presena de uma ampla superfcie mida mediante a criao de gotas ou pelculas finas. O enchimento deve ser de um material de baixo custo e de fcil instalao. Alm de ser um bom transmissor de calor, deve oferecer pouca resistncia a passagem de ar, proporcionar e manter uma distribuio uniforme de gua e de ar durante todo o tempo de vida da torre. Tambm importante que o material apresente uma boa resistncia a deteriorao.

Fig. 11: Sistema por presso com distribuio atravs de tubulao fixa.

Fig. 12 - Sistema por presso rotativo.

Os diferentes tipos de enchimento podem ser classificados dentro das seguintes categorias:

De gotejamento ou respingo; De pelcula ou laminar; Misto.

2.5.2.1 Enchimentos de gotejamento ou de respingo

Ainda que existam muitas disposies diferentes, o propsito bsico consiste em gerar pequenas gotas de gua, em cuja superfcie se verifica o processo de evaporao (Figura 13). Este efeito conseguido mediante a queda da gua sobre uma srie de camadas superpostas compostas por barras, enquanto o ar se movimenta no sentido horizontal (fluxo cruzado) ou vertical (fluxo em contracorrente). A gua, ao cair, se quebra em gotas cada vez menores. Um dos requerimentos mais importantes desse tipo de enchimento o correto nivelamento das barras, pois de outro modo, a gua escorreria ao longo destas, desequilibrando a distribuio da cortina de gua e prejudicando o rendimento da torre. A altura do enchimento superior a requerida pelos sistemas laminares e o arraste e gotas importante, o que obriga a utilizao de eliminadoresde gota de alto rendimento.

Fig.13 - Enchimento por respingo ou gotejamento.

2.5.2.3 Enchimento de Pelcula ou Laminar

Este tipo de enchimento proporciona uma maior capacidade de resfriamento, para um mesmo espao ocupado, que o de gotejamento. A eficincia deste sistema depende de sua capacidade em distribuir a gua numa fina pelcula que escoa sobre grandes superfcies, com o objetivo de proporcionar a mxima exposio da gua a corrente de ar (Figura 14 e Figura 15). Como este tipo mais sensvel as irregularidades da vazo de ar e a distribuio de gua, o desenho da torre deve garantir sua uniformidade atravs de todo o enchimento. Sua principal vantagem a ausncia de gotas, o que reduz enormemente as perdas por arraste e possibilita o aumento da velocidade da corrente de ar, que como consequncia, conduz a diminuio da altura do enchimento e da altura de bombeamento. Dessa maneira os custos de operao so reduzidos.

Fig. 14 - Enchimento de pelcula ou laminar de placas de fibrocimento.

Fig.15 - Enchimento de pelcula ou laminar de placas onduladas.

O principal inconveniente dos enchimentos laminares a sua tendncia em acumular depsitos e sujeiras entre as placas paralelas que os constituem. Este fenmeno conduz a obstrues parciais e a formao de canais preferenciais por onde escorre a gua, rompendo a homogeneidade da pelcula.

2.5.2.4 Enchimento tipo misto

Os enchimentos mistos se baseiam em uma pulverizao por gotejamento, porm com a formao de uma pelcula nas superfcies laterais das barras, aumentando, dessa forma, o efeito conseguido pelo gotejamento (Figura 16).

Fig. 16 - Enchimento Misto

2.6 Materiais

A madeira o material mais tradicional dos sistemas de gotejamento. A vida mdia, apesar do progresso nos mtodos de tratamento, no supera em geral 20 anos de servio. Sua utilizao est em decadncia. O enchimento de metal tem sido utilizado em casos especiais em que se deseja uma alta relao entre rea de contato e volume. Em condies normais no so competitivos devido ao alto custo. O fibrocimento utilizado principalmente nos enchimentos laminares de torres industriais, especialmente as de tiragem natural, apresenta boa resistncia e no atacado por matria orgnica. Entre seus inconvenientes, podem ser citados seu elevado peso em relao ao volume e sua elevada sensibilidade as guas cidas e aos ons sulfato. Os plsticos apresentam um alto tempo de vida e sua utilizao tem se estendido cada vez mais. So especialmente apropriados para enchimentos laminares em pequenas torres produzidas em srie e para enchimentos mistos.

2.7 Defletores de Ar

So utilizados em torres de tiragem induzida, para conduzir o ar em direo ao interior de forma eficiente, e para prevenir as perdas de gua devido a ao do vento. Tambm podem ser utilizados para eliminar os problemas de formao de gelo no inverno. A distribuio do ar e a reteno de gua esto diretamente relacionadas com a inclinao, a largura e o espaamento dos painis. Existem determinados projetos em que a inclinao dos painis pode ser modificada, a fim de adaptar-se as condies climticas existentes, podendo se chegar ao fechamento completo dos painis devido a possibilidade de formao de gelo ou do arraste de gua pelo ar a alta velocidade.

2.8 Eliminadores de Gotas

A funo principal deste componente consiste em reter as pequenas gotas arrastadas pelo ar que abandona a torre. Basicamente, todos os eliminadores de gotas atuam provocando bruscas mudanas de direo da corrente de ar (Figura 17). A fora centrfuga resultante, separa as gotas de gua, depositando as na superfcie do eliminador para posteriormente carem sobre o enchimento. A atuao do eliminador de gotas proporciona trs efeitos positivos: diminui as perdas de gua, evita possveis danos aos equipamentos adjacentes a torre e limita a formao de nvoa. Um efeito secundrio a uniformizao do fluxo de ar atravs do enchimento, como resultados da baixa presso criada no espao entre os eliminadores e os ventiladores devido a oposio que se faz ao fluxo de ar.Os materiais utilizados devem resistir a atmosferas corrosivas e erosivas. Podem ser de madeira tratada, chapa galvanizada, alumnio. Atualmente existe uma tendncia de utilizao delminas de fibrocimento ou plstico (PVC).

Fig. 17: Tipos de eliminadores de gotas.

2.9 Ventiladores

Existem dois tipos fundamentais de ventiladores: axiais, nos quais o ar mantm a direo do eixo antes e aps sua passagem pelo rotor, e centrfugos, nos quais o ar descarregado na direo normal a direo de entrada. Os ventiladores axiais so apropriados para movimentar grandes volumes de ar com um aumento de presso pequeno, seu uso se encontra mais difundido em instalaes industriais. So relativamente de baixo custo e podem ser utilizados em torres de qualquer tamanho. Com chamins corretamente projetadas, os ventiladores axiais operam com eficincias de 80 a 85%. Os dimetros podem alcanar 9 metros, ainda que oscilem entre 3 e 7 metros em instalaes industriais. Em certos casos os ngulos de ataque das ps podem ser alterados pelo simples afrouxamento das braadeiras de unio ao cubo central. Geralmente se utilizam materiais metlicos, ainda que o uso de ventiladores com ps de plstico est se difundindo devido ao custo atraente e a boa resistncia ao ataque qumico. Os ventiladores centrfugos so constitudos por uma carcaa e um rotor, podendo ser de simples ou dupla aspirao. Nas torres produzidas em srie, para as que requerem baixos nveis sonoros, se utilizam normalmente ventiladores de dupla aspirao lateral. So particularmente adequados para fornecer pequenas vazes e presses maiores que os ventiladores axiais. Existem trs tipos de ventiladores centrfugos: de ps radiais, de ps curvadas para frente e de ps curvadas para trs. Os ventiladores de ps curvadas para frente so os mais utilizados em torres de resfriamento, pois devido a alta velocidade dor ar que abandona o rotor, este pode trabalhar com uma menor rotao com a consequente reduo no nvel de rudo. Alm disso, para um dado servio, so de menores dimenses e portanto mais econmicos. Os materiais utilizados so metlicos e no existe possibilidade de alterao na inclinao das ps.

2.10 Bombas Os sistemas de bombeamento para recirculao de gua na torre consomem uma frao importante da potncia requerida para o sistema de resfriamento. Quase sempre so empregadas bombas centrfugas, de um ou vrios estgios, dependendo da vazo e altura manomtrica requeridas.Em instalaes importantes comum a utilizao de duas bombas em servio e uma de reserva.

2.11 Motores Os motores eltricos utilizados para acionar os ventiladores das torres de tiragem mecnica devem operar em condies adversas, j que se encontram expostos as condies do tempo, a atmosferas contaminadas e a alta umidade, consequncia do funcionamento da torre. A colocao do motor fora da chamin da torre evita que o ar de resfriamento da carcaa tenha quantidade elevada de umidade, alm de facilitar a manuteno.Os motores de duas velocidades so especialmente convenientes para o caso em que o perodo de operao se estenda ao longo de todo o ano. Com esse tipo de motores pode-se reduzir consideravelmente a potncia consumida em perodos frios ou durante a noite.Fig. 18 - Componentes