Os sistemas mais comuns de remoção de calor na indústria são os sistemas de resfriamento de água circulante por evaporação de água. Neste tipo de sistema, o calor retirado do processo é descartado para a atmosfera através da evaporação de uma parte da água que circula chamada água de resfriamento.
O resfriamento de água por evaporação dá-se pela transferência de calor latente e de calor sensível. A primeira ocorre pela evaporação de uma parte da agua circulante e a segunda bela diferença de temperatura entre a água e o ar que estão em contato.
O calor latente é responsável por 80% da transferência de calor e ao calor sensível são atribuídos os 20% restantes.
Usualmente, o resfriamento de água por evaporação é realizado em torres de resfriamento. Estes dispositivos promovem o contato da água a ser resfriada com ar através de tiragem natural ou mecânica, sendo a tiragem mecânica a configuração mais comum na indústria. A quantidade de calor que pode ser removido da água depende, fortemente, da temperatura e da umidade do ar.
O grupo de torres de resfriamento de tiragem mecânica é subclassificado em tiragem forçada e tiragem induzida. O termo tiragem refere-se à movimentação do ar ao longo da torre. As torres de tiragem forçada possuem ventiladores na sua base ou nas laterais, provocando a entrada de ar e o fluxo do mesmo para cima. Já as torres de tiragem induzida possuem exaustores instalados no topo que puxam o ar para dentro. O fluxo de ar pode ser em contracorrente ou corrente cruzada. No primeiro caso, o ar entra pela base da torre e sobe verticalmente pelo interior do equipamento. No fluxo em corrente cruzada, no entanto, o ar entra por venezianas localizadas em ambas as laterais da torre, entrando horizontalmente no recheio.
Conceitos Importantes
Para compreender os modelos matemáticos já propostos por diversos autores para avaliar o desempenho de uma torre de resfriamento é necessário definir alguns termos
importantes.
Approach: diferença de temperatura, em graus, entre a água que deixa a torre e a temperatura de bulbo úmido do ar que entra na torre. O desempenho de uma torre de resfriamento pode ser mensurado pelo approach, pois quanto menor o seu valor, mais próxima da menor temperatura possível de ser atingida estará a água que sai da torre e, portanto, mais próxima do termodinamicamente alcançável a torre estará.
Range: é a diferença entre a temperatura em que a água quente entra na
torre e a temperatura em que a água fria sai da torre (também chamado de delta T).
Temperatura de bulbo seco: temperatura ambiente do ar, medida por termômetros convencionais de temperatura.
Temperatura de bulbo úmido: a temperatura de bulbo úmido é medida colocando uma mecha úmida na ponta de um termômetro em contato com o ar. Como o ar ao redor da mecha não esta saturado ocorre a evaporação da água. A medida que a água evapora, calor latente é removido da mecha, baixando a sua temperatura. como o ar, nesta condição, esta mais quente, inicia-se um fluxo de calor sensível do ar para a mecha. A temperatura em que ocorre o equilíbrio entre a vaporização da água e o fluxo de calor sensível do ar para a água é chamada temperatura de bulbo úmido. É importante salientar também que a temperatura de bulbo úmido do ar é a menor temperatura que a água pode atingir na torre de resfriamento. O bulbo úmido é uma medida da temperatura do ar que leva em consideração a umidade relativa do ar.
Água de reposição (ou make-up): é a água reposta na bacia da torre de resfriamento para compensar as perdas por evaporação, purga e respingos
Umidade relativa: é a razão entre a quantidade de vapor d'água no ar e a máxima quantidade de vapor que o ar poderia conter, na mesma temperatura.
Entalpia: é uma propriedade termodinâmica que leva em consideração a energia interna e a energia potencial de um sistema.
Existem diversas equações e modelos matemáticos que podem ser utilizados para calcular a evaporação em torres de refrigeração. Um dos modelos mais comuns é o modelo de Merkel, que leva em consideração a transferência de calor e massa entre a água e o ar que passa pela torre.
A equação de Merkel pode ser escrita da seguinte forma:
E = (m_c * (h_i - h_o)) / (h_wb,i - h_wb,o)
onde:
E = taxa de evaporação em kg/h
m_c = vazão mássica de água em kg/h
h_i = entalpia da água de entrada em kJ/kg
h_o = entalpia da água de saída em kJ/kg
h_wb,i = entalpia do bulbo úmido do ar de entrada em kJ/kg
h_wb,o = entalpia do bulbo úmido do ar de saída em kJ/kg
Para calcular a evaporação em torres de refrigeração, é necessário medir a vazão de água, a temperatura da água de entrada e saída, a temperatura e umidade relativa do ar de entrada e saída. Com esses dados, é possível calcular a taxa de evaporação usando a equação de Merkel ou outro modelo matemático adequado.
Para um cálculo simplificado da evaporação em torres de refrigeração, pode-se utilizar a seguinte equação empírica:
E = Vz * (Ti - To)*0,00153
onde:
E = taxa de evaporação em m³/h
Vz = Vazão de Recirculação em m³/h
Ti = temperatura da água de entrada em °C
To = temperatura da água de saída em °C
Essa equação considera que a evaporação é diretamente proporcional à vazão de água e a diferença de temperatura entre a água de entrada e saída. No entanto, ela não leva em consideração outros fatores importantes que afetam a evaporação, como a umidade relativa do ar e a velocidade do ar que passa pela torre.
Embora seja uma equação simplificada, ela pode fornecer uma estimativa útil da taxa de evaporação em torres de refrigeração, desde que as condições de operação sejam relativamente constantes e a temperatura da água de entrada e saída estejam dentro de uma faixa razoável.
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