ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM TORRES DE RESFRIAMENTO

Joaquim Antonio dos ReisUNESP- Campus de GuaratinguetáFaculdade de Engenharia- Departamento de Energiajareis@feg.unesp.br

José Luz SilveiraUNESP- Campus de GuaratinguetáFaculdade de Engenharia - Departamento de Energiajoseluz@feg.unesp.br

Pérsia Eiko DomeniUNESP - Campus de GuaratinguetFaculdade de Engenharia de Guaratinguetá

Resumo: Uma torre de arrefecimento resfria a água fazendo-a entrar em contato com o ar resultando na evaporação de parte dessaágua. Na maioria das torres um ou mais propulsores ou ventiladores centrífugos movimentam o ar verticalmente para cima ouhorizontalmente, através delas. Proporciona-se uma grande área superficial de água pela pulverização através de ejetores ou fazendoa água descer a torre de prateleira em prateleira ( ou chicanas). Num grande número de aplicações industriais, o calor de processo éremovido usando torres de arrefecimento, nas quais a água quente da instalação é continuamente recirculada para ser resfriadausando o princípio do resfriamento evaporativo. O tipo mais comum de torre de arrefecimento, é aquele em que a temperatura daágua circulante é reduzida colocando-a em contato direto com o ar. Tais torres são chamadas torres de arrefecimento úmidas: oarrefecimento é obtido parcialmente pela evaporação de uma fração da água de circulação e parcialmente pela transferência de calorsensível. Como as torres geralmente estão separadas da instalação principal, elas são normalmente ignoradas até que uma criseocorra. Muita atenção tem sido dada ao seu projeto atualmente, para assegurar um desempenho efetivo. Para se resfriar uma mesmaquantidade de água, pode-se gastar menos energia na torre, sendo que um dos itens que mais influenciam é o tipo de enchimentoescolhido. Os enchimentos possuem diferentes áreas de troca térmica por unidade volumétrica , implicando em demandas de armenores para o mesmo resfriamento, tendo como conseqüência menor trabalho para os ventiladores já que ele que impelirá aquantidade de ar exigida pelas condições específicas de uma operação a um menor custo. A situação física dentro de uma torre dearrefecimento é muito complexa ( filmes e gotas de água no ar estão em constantes modificações de configuração. Não existe ummodelo matemático, até a presente data, que seja capaz de simular todos os detalhes do processo de transferência simultânea de calore massa que ocorre dentro da torre. Este artigo analisa o funcionamento de uma torre de resfriamento em operação, identifica oconsumo de energia elétrica no sistema em uso e propõe alterações em alguns parâmetros de torre que levem a um menor consumode energia para os acionadores dos ventiladores.

Keywords. Torres de resfriamento, energia, consumo, conservação de energia.

1. Introdução

Decorridos apenas 90 anos de sua primeira aplicação, as torres de resfriamento representam hoje um itemimportante e às vezes até essencial à maioria dos processos industriais, que de um modo ou de outro, apresentamtransferências de calor: ar condicionado, resfriamento de reatores químicos, usinas termelétricas, etc. Só no Brasil, hoje,temos quase uma dezena de fabricantes, que atendem a pedidos que vão desde a torre de resfriamento da refinaria deCubatão, para 120.000 m³/h até os pequenos modelos de 8 m³ /h , para pronta entrega. Depreende-se daí a importânciaefetiva das torres de resfriamento.

Basicamente, as torres de resfriamento visam transferir ao ar o calor residual dos processos industriais, evitandoinicialmente a poluição térmica e química dos cursos d'água e, em segundo lugar, possibilitando usar a mesma água emum ciclo quase fechado, economizando o líquido, que pode ser convenientemente tratado, a um custo menor.

Para se ter uma idéia da grande quantidade de calor que “sobra” nas indústrias, basta lembrar que uma modernaturbina de vapor tem uma eficiência térmica de 40%, ou seja, mais da metade do combustível (ou energia térmica) saicomo calor sensível. Em uma termoelétrica de 800 MW, isso significa aproximadamente 1,032 x 109 kcal/h a serdissipado.

Uma torre de resfriamento de água é um equipamento de operação contínua que utiliza-se de transferência demassa e energia para resfriar a água. Como essas transferências se processam através de superfícies, conclui-se que emuma torre de resfriamento deseja-se sempre a formação máxima de superfícies de água expostas ao ar, o que éconseguido através de: (a) borrifamento - para produzir gotículas; (b) enchimento: criam um filme ou gotas devido aoefeito do respingo.O enchimento de uma torre deve ser de baixo custo e de fácil instalação, devendo ainda promover uma quantidadeadequada de transferência de calor, apresentar baixa resistência ao fluxo do ar e manter uma distribuição uniforme daágua e do ar durante toda a vida útil do equipamento. Ele é classificado em dois tipos: (a) tipo respingo - exclusivo nouso em torre industrial, e encontrado também em outros tipos de torre; consiste de diferentes arranjos, dependendo do

projeto da torre e do fabricante, conforme mostra a Fig. (1); (b) tipo filme - mais indicado para unidades compactas oupequenas torres comerciais, semelhantes ao da Fig. (2

(a) (b)Figura 1. Enchimento tipo respingo: (a) barras de PVC; (b) barras de madeira

Figura 2. Enchimento tipo filme

Os diferentes tipos de enchimento, ocasionam diferentes perdas de carga do ar movimentado pelos ventiladores,aumentando ou diminuindo a potência elétrica necessária para o motor de acionamento.

Este trabalho estuda o desempenho dos vários enchimentos e quantifica a economia de energia elétrica quandosubstituímos um tipo por outro.

2. Operação de torres de resfriamento

A teoria básica de operação de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et al. (1923), quedesenvolveram as equações básicas para a transferência total de massa e energia e consideram cada processoseparadamente. Merkel (1925), combina os coeficientes de transferência de calor sensível e massa num únicocoeficiente global, baseado no potencial entálpico como força motora. A teoria proposta por Merkel requer algumashipóteses simplificadoras, que têm sido universalmente adotadas para o cálculo do desempenho de uma torre dearrefecimento.

O importante na operação de uma torre e a determinação da característica da torre KaV / L, que os métodos acimafornecem como a integração de um parâmetro característico. Como o potencial entálpico é considerada a força motora

na transferência de calor e massa, a função a ser integrada deve necessariamente envolver tal parâmetro. Assim dasconsiderações de Merkel,

∫ −=

wi

wo

as

ww

t

t

ii

dtcL

KaV' (1)

∫ −=

2

1

'

i

i

ii

diG

KaV

as

a (2)

onde- K : coeficiente de transferência de massa (kg.h-1.m-2(kgw/kga)

-1)- a : área superficial da gota de água por unidade de volume da torre (m2.m-3)- V : volume ativo da torre por unidade de área plana (m3.m-2)- L : carga (fluxo) de água (kg.h-1.m-2)- G : carga de ar ( kg.h-1.m-2)- cw : calor específico da água líquida (kJ.kg-1.°C-1)- tw : temperatura da água líquida (°C)- i's : entalpia específica do ar úmido saturado na temperatura da água tw (kJ.kgda

-1)- ia : entalpia do ar úmido (kJ.kg-1)- i : entalpia (kJ.kg-1)- t : temperatura (°C)

subscritos- wi : entrada da água- wo : saída da água- 1 : condição de entrada do ar- 2 : condição de saída do ar

O CTI - Cooling Tower Institute, sugere o método de Tchebycheff para a avaliação numérica de KaV / L (CTIBulletin ATP-105, 1967), porém adota-se um método de integração por partes, que divide a torre em "n" partes, emaiores valores de "n" proporcionam uma precisão cada vez maior. O método de Tchebycheff divide a torre em 6 (seis)partes, por isso a escolha.

Analisa-se uma torre de contra fluxo, resolvida como um problema uni-dimensional, assumindo-se que o padrãode escoamento é vertical, com o ar escoando de forma descendente na torre e o ar escoando de forma ascendente.

A Figura (1) mostra o esquema para a análise térmica da torre de resfriamento.

Figura1. Esquema para análise térmica de uma torre de resfriamento em contra-fluxo

A razão carga de água por carga de ar (L/G) é conhecida, já que a análise trata de uma torre em funcionamento. Emgeral, essa razão fica entre 1 e 3 . As torres com tiragem mecânica a têm entre 0,75 e 1,50; nas torres de tiragem naturalesse valor cai entre 0,5 e 3,0. A torre analisada tem o valor L/G igual a 1,205.

O enchimento das torres de resfriamento são especialmente projetados para criar uma larga área superficial decontato entre as correntes de água e ar. A transferência de calor que ocorre depende dessa área superficial. Existem doistipos básicos de enchimento usados nas modernas torres de resfriamento: enchimento tipo respingo ( splash bar type) outipo filme celular. Dois diferentes tipos de enchimento serão considerados nesta análise. O enchimento de primeiro tipo,consiste de oito diferentes arranjos de prateleiras, com as denominações indicadas na Tab.(1) e o enchimento segundotipo filme que consiste de diferentes arranjos.

A altura do enchimento e o número total de prateleiras dos dois diferentes conjuntos de enchimento são calculadosusando duas diferentes aproximações. Para os do primeiro tipo a seguinte equação é usada para calcular o número deprateleiras:

( ) nGL

LKaV NDA

−+= )(07,0 (3)

onde ND é o número de prateleiras e A e n são constantes para qualquer matriz dada. A Tabela (1) mostra os valores deA e n relacionados com as geometrias dos diferentes arranjos de enchimento.

Tabela 1 - Valores para A e n na equação (3)

Deck A n

A 0,060 0,62

B 0,070 0,62

C 0,092 0,60

D 0,119 0,58

E 0,110 0,46

F 0,100 0,51

G 0,104 0,57

H 0,127 0,47

I 0,135 0,57

J 0,103 0,54

Conhecendo-se o número de prateleiras, ND, e o espaço vertical de cada prateleira, fornecido na Tab.(2), a alturatotal do enchimento PH da torre é calculada usando a seguinte equação:

verticalNDxespaçoPH .= (4)

Tabela 2- Valores de espaço vertical e de B e C na equação da perda de carga ( Fonte: Mohiuddin, 1996)

Deck Espaço vertical das

prateleiras, mm

Queda livre vertical,

mm

B x 1011

(m5h2kg-2)

C x 1016

(m6.5h3kg-3)

A 229 914 0,3622632 0,4348

B 305 1219 0,3622632 0,4348

C 381 1143 0,426192 0,55338

D 610 1829 0,426192 0,55338

E 610 1509 0,639288 0,5929

F 610 2783 0,277025 0,77669

G 610 2088 0,426192 0,395272

H 610 1109 0,799110 1,0277

I 610 1372 0,5540496 0,632435

J 610 2088 0,426192 0,395272

Uma aproximação diferente é usada para o enchimento de segundo tipo. A altura do enchimento é calculadadiretamente usando os dados de Lowe e Christie (1961), que representam adequadamente o coeficiente do volume detransferência (Ka/L) por uma equação da forma

( ) mGL

LKa −

= λ (5)

onde λ e m definem as características de transferência desse tipo de enchimento, e constam da Tab.(3).

Tabela 3- Dados para enchimento tipo filme ( segundo tipo)

Tipo Descrição Figura λ m Perda de carga por unidade

de profundidade

Para L=9765kg/h.m²

var=1,83 m/s

PN-6 CAS 2d 0,689 0,69 10,17

PN-7 CAS 2e 0,36 0,66 2,62

PN-8 CAS 2f ,558 0,58 575

PN-9 TSB 2b 0,243 0,52 4,26

PN-10 AL 2g 0,666 0,70 9,84

Fonte: Mohiuddin, 1996

Se um enchimento do segundo tipo é selecionado, conhecendo-se os valores de L/G, λ e m, o coeficiente detransferência de volume Ka/L pode ser calculado. Conhecendo-se a característica da torre, KAV/L, da integração porpartes, a altura total do enchimento, V em metros, é calculada usando a Eq.(5). Como o número de pratelerias para esseenchimento não é calculado, ele é tomado como sendo a unidade.

Este trabalho mostra como a substituição do tipo de enchimento pode economizar a energia elétrica usada paraacionar o ventilador em torres de resfriamento de tiragem forçada, induzida. Outras considerações devem ser feitasantes da adoção da medida sugerida, tais como, características de transferência de calor, temperaturas, número de pás doventilador, etc.

A potência do motor elétrico que vai acionar o ventilador é dada por

η.75.3600. PQN ∆= (6)

onde:N = potência do motor elétrico (cv)Q = vazão de ar (m3/h)∆P = perda de carga (kgf/m2)η = rendimento do motor

O valor de ∆P para o enchimento tipo respingo é dado por

[ ]fea HCLvBGNDP 220812,11

)( +=∆ ρ (7)

e

( ) ffe HggHGGv 2113

42 36002..3600. ρρ ++= (8)

onde∆Pa = perda de carga do ar ( m de água)G = carga de ar (kg.h-1.m-2)L = carga de água (kg.h-1.m-2)

Hf = queda livre vertical para as gotas (m) ( Tab. 2)ve = vazão de ar equivalente (kg.h-1.m-2)B, C = constantes dimensionais ( Tab.2)ND = número de prateleirasρ1 = densidade do ar de entrada (kg.m-3 de ar úmido)

A pressão obtida pela Eq.(8) em m de água é então expressa em termos da velocidade principal na base da torre:

g

v

aPC

2

21

4∆= (10)

Para o enchimento tipo filme, a perda de carga é obtida de

xPHPC v∆=4 (11)

onde ∆Pv é o número da perda de pressão dinâmica por unidade de profundidade tirado da Tab.(3) e PH é a altura doenchimento (m)

3. Resultados

Um programa de computador, usando programação DELPHI, faz a integração por partes para o cálculo dacaracterística da torre em estudo. As entalpias envolvidas e as demais equações são encontradas utilizando-se dosoftware EES (Engineering Equation Solver), os resultados obtidos para a potência do motor para diferentes tipos deenchimento são mostrados na Tab. (4). Do programa DELPHI tiramos o valor da característica da torre e o número deprateleiras para, em conjunto com as tabelas correspondentes encontrarmos os valores da potência elétrica dos motoresacionadores do ventilador para os diferentes tipos de enchimento, como mostrado na Tab. (4).

Tabela 4. Valores do consumo de energia elétrica para os diferentes enchimentos e o potencial de economia pelasubstituição pelo modelo PN7

Enchimento1°Tipo

Potência do VentiladorCV)

Enchimento 2°tipo - PN7Potência do Ventilador (CV)

Economia de Energia (%)

A 2,917 2,418 17,1B 3,038 2,418 20,4C 2,739 2,418 11,72D 3,024 2,418 20,05E 3,629 2,418 33,36F 3,175 2,418 23,84G 5,58 2,418 56,67H 2,818 2,418 14,19I 2,573 2,418 6,022J 2,853 2,418 15,25

4. Comentários

Na investigação do potencial de economia de energia, somente pela substituição do tipo de enchimento - respingopor filme - foram encontrados valores satisfatórios. Estabeleceu-se a comparação com o tipo PN7 , por ser O maisusual, com menores custos de instalação. Assim podemos notar economias de energia que variam de 6 a 50%., commaior concentração de valores em torno de 23%, como encontrado em comparações anteriores.

Esse potencial de economia de energia elétrica pode ser melhor quantificado se uma análise econômica é feita e, setambém verificarmos outros parâmetros.

Estimou-se a economia para o ventilador situado no topo da torre, o que ocasiona uma aspiração da corrente de arem contra-corrente com a água a ser resfriada. Cabe aqui estudar outras posições para a localização do ventilador, equantificar o decréscimo no consumo.

Estudos posteriores, que levam em conta o custo da instalação de cada tipo de enchimento, viriam a aperfeiçoaressa estatística de economia.

5. Agradecimentos

Agradecemos ao CNPq, que através da bolsa PIBIC, proporcionou o necessário suporte financeiro para a execuçãodeste trabalho de pesquisa.

6. Referências

Baker, D.R.,1984,"Coooling Tower Performance", Chemical Publishing Co., New York, pp.122-133.Baker, D.R., Shyrock, H.A., 1961, ”A Comprehensive Approach to the Analysis of Cooling Tower Performance”,

Trans.ASME Journal of Heat Transfer, v.83, pp.339-350.CTI - Cooling Tower Institute, 1967, "Cooling Tower Performance Curves", compiled by Performance & Technology

Committee of CTI.Lowe, H.J., Christie, D.G., 1961, Heat Transfer and Performance of Cooling Tower Packings and Model Studies of the

Resistance of Natural-draught Towers to Airflow, Proc. Int Heat Transfer Conf., Colorado, Part V, Paper No.113,pp.933-950.

Merkel, F., 1925, Verdunstungskühlung VDI, Forschungsarbeitten No.275, in: : Kern,D.Q., "Process Heat Transfer",McGraw-Hill Book Company,Inc.

Mohiuddin, A.K.M., Kant, K., 1996, "Knowledge Base for the Systematic Design of Wet Cooling Towers, Part.I:Selection and Tower Characteristics", Int J Refrigeration, v.19, No.1, pp.43-51.

Mohiuddin, A.K.M., Kant, K., 1996, "Knowledge Base for the Systematic Design of Wet Cooling Towers, Part.II: Filland Other Design Parameters", Int J Refrigeration, v.19, No.1, pp.52-60.

Walker, W.H., Lewis, W.K., McAdams, W.H., Gilliland, E.R., 1923, "Principles of Chemical Engineering, 3rd. McGraw-Hill, New York, in: Kern,D.Q., "Process Heat Transfer", McGraw-Hill Book Company,Inc.

7. Copyright Notice

The author is the only responsible for the printed material included in his paper.

Abstract: A cooling tower make a cold water to enter in contact with the air resulting in the evaporation of part of that water. Inmost of the towers one or more propellers or centrifugal fans move the air upward or in crossflow through them. A great superficialarea of water is provided spraying the water by ejectors or making the water to go down the packing tower in decks (or chicanes).In a great number of industrial applications, the process heat is removed using cooling towers, in which the hot water of theinstallation is continually recirculated and cool using the evaporative cooling principle. In the most common type of cooling towerthe temperature of the circulating water is reduced placing it in direct contact with the air. Such towers are called wet towers : thecooling is obtained partially by the evaporation of a fraction of thecirculation water and partially for the transfer of sensitive heat.As the towers are usually separate from the main installation, they are usually unknown until that a crisis happens. A lot of attentionhas been given now to your project, to assure an effective operation. To cooling a same amount of water, the less consumption ofenergy in the tower is possible, and one of the items responsible by this consumption is the type of packing. The packings providedifferent areas of thermal exchange by unit of volume, implicating in demands of air smaller for the same cooling, and byconsequence smaller work is provided for the fans to impel the amount of air demanded by the specific conditions by an operation ata smaller cost. The physical situation inside a cooling tower is very complex (films and drops of water in the air are in constantconfiguration exchanges). There are not a mathematical model that is capable to simulate all the details of the process ofsimultaneous transfer of heat and mass that happens inside the tower. This article analyzes the operation of a cooling tower andidentifies the electric power consumption in the system in use and proposes exchanges in some tower parameters that leave to asmaller consumption of energy in the fans drivers.

Keywords. Cooling towers, energy, consumption, conservation of energy.