Construção e análise preliminar de uma torre de resfriamento de bancada para fins didáticos 

Screenshot_1_edited.jpg

Gustavo Von Hohendorff
ICCT, Universidade Feevale, RS-239, 2755, Novo Hamburgo – RS - Brasil

Cláudia Trindade Oliveira
ICCT, Universidade Feevale, RS-239, 2755, Novo Hamburgo – RS - Brasil

Sandra Raquel Kunst​
LACOR, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre – RS – Brasil

Luciane Taís Fuhr 
ICCT, Universidade Feevale, RS-239, 2755, Novo Hamburgo – RS - Brasil • E-mail: luciane.fuhr@gmail.com 

RESUMO

Este trabalho apresenta a construção de uma torre de resfriamento em escala de bancada destinado à utilização no ensino de Engenharia possibilitando assim, a aplicação de conceitos aprendidos em sala de aula de forma prática, bem como a familiarização com sistemas encontrados no cenário industrial. Para isso, a torre foi construída de forma simples, visando a facilidade de transporte, manuseio e manutenção. A partir da construção do equipamento, avaliou-se experimentalmente de forma comparativa a influência da temperatura de entrada da água, da vazão de água circulante, da temperatura de bulbo úmido e de três diferentes configurações de recheio no desempenho da torre. Por fim, a partir da equação de Merkel, verificou-se a influência do recheio e da vazão de água circulante no coeficiente volumétrico global de transferência de calor e massa. Os resultados obtidos demonstraram que para maiores temperaturas de entrada da água, menor vazão de água circulante e temperaturas de bulbo úmido reduzidas, a torre apresentou melhor desempenho. Além disso, verificou-se que a configuração de recheio utilizada teve influência significativa no desempenho da torre e que, para cada configuração de recheio em análise, encontrou-se um valor característico do coeficiente de transferência de massa, sendo este valor maior para o recheio de maior altura.  

Palavras-chave: Torre de resfriamento de bancada; Eficiência; Instrumento didático.

 

1. INTRODUÇÃO 

Em diversas etapas dos processos industriais, a água é o fluido mais utilizado para resfriamento, sendo portanto necessária em abundância. Visto que a sustentabilidade, ligada aos fatores ecológicos e de custo operacional, vem ganhando atenção também no meio industrial, tem-se uma preocupação com a reutilização dos recursos naturais como a água. Para tanto, as torres de resfriamento são os equipamentos mais comumente utilizados, uma vez que sua instalação permite a recirculação da água para o processo com poucas perdas [1, 2].  

As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para remoção de calor em processos industriais que utilizam água como fluido de refrigeração [3]. Em seu processo de operação ocorre simultaneamente a transferência de calor e de massa através do contato direto entre a água e o ar ambiente, fazendo com que haja a remoção da carga térmica da água para o ar [4]. Por serem amplamente utilizadas no cenário industrial, é necessário que os futuros profissionais de Engenharia desenvolvam conhecimento teórico e prático sobre este tipo de trocador de calor.    

Ainda que a simulação computacional tenha se tornado um recurso estratégico no ensino de Engenharia, as metodologias de ensino práticas auxiliam no aprendizado dos acadêmicos e proporcionam a visualização e correlação com os conhecimentos obtidos em aulas expositivas [5]. Em um levantamento realizado por Sampaio [6] em relação à abordagem de torres de resfriamento no ensino de Engenharia Mecânica do Brasil, foi constatado que este é um assunto presente no plano de ensino de disciplinas ligadas à análise térmica. No entanto, de acordo com Brum [2], o estudo das variáveis envolvidas no processo para otimização da operação destes equipamentos é ainda pouco abordado.  

Tendo em vista os dados encontrados, o desenvolvimento de uma torre de resfriamento de bancada para fins didáticos tem grande importância como ferramenta para auxilio no ensino das disciplinas de Engenharia, podendo contribuir para a formação destes futuros profissionais. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho é a construção e análise preliminar de uma torre de resfriamento em escala de bancada que seja apropriada para fins didáticos. 

2. MATERIAIS E MÉTODOS 

2.1  Projeto de construção

O modelo projetado trata-se de uma torre de resfriamento de água com base circular com 0,0176 m² de área. Quanto a sua operação, optou-se por trabalhar com o sistema de fluxo contracorrente com tiragem induzida, pois conforme Sapunaru et al. [7] esta configuração possui uma maior eficiência. O projeto tem como referência uma adaptação do modelo de torre de resfriamento construído em escala de bancada desenvolvido por Ongaratto, Sarkisb e Rech [5] para ensino da disciplina de Operações Unitárias. Para a construção do equipamento, a escolha foi de utilizar materiais acessíveis, de baixo custo e ampla disponibilidade comercial. A carcaça da torre de resfriamento possui o diâmetro de 150 mm e a altura total de 1,5 m construída com tubos de PVC. Em sua base, está localizada a bandeja coletora da água que passa pelo processo de resfriamento, construída com um tampão de PVC, onde está acoplada uma torneira pela qual a água resfriada sai da torre. Entradas de ar estão localizadas na base da torre, com furos equidistantes com diâmetro de 8 mm que irão atuar como venezianas no equipamento, e uma janela com dimensão maior de 140 mm por 75 mm.  

No topo da torre encontra-se um microventilador axial de diâmetro de 120 mm, que é o responsável pela tiragem mecânica da torre, instalado acima do eliminador de gotas. Este eliminador foi construído com tubos corrugados de diâmetro de 20 mm com altura de 20 mm. Logo abaixo do eliminador de gotas está instalado o aspersor, constituído por um chuveiro frio simples que distribui uniformemente a água a ser resfriada ao longo da seção transversal da torre. A altura entre o aspersor e a bandeja de água tem dimensão de 1 m. O aspersor está ligado a um reservatório de 20 litros. Neste reservatório está instalada uma resistência para aquecimento da água e uma eletrobomba com vazão de 25 L/min, responsável pelo fluxo de água aquecida do reservatório até a bomba. Um sistema de válvulas de esfera está instalado na linha para controle de vazão de água circulante no equipamento.  

Os recheios foram construídos com tubos de PVC flexível com diâmetro de 20 mm e altura de 20 mm, de forma a obter a geometria mais próxima do recheio do tipo anel de Raschig, que segundo Foust et al. [8] é amplamente utilizado em função de seu baixo custo. Os tubos foram agrupados ordenadamente em blocos conforme demonstrado na Figura 1.

Figura 1: Recheio utilizado na torre de resfriamento. 

Desta forma, o empilhamento de diversos blocos ordenados forma um recheio do tipo gotejamento ou respingo, conforme abordado no referencial deste trabalho. Os materiais utilizados para a construção da torre de resfriamento estão listados na Tabela 1.  

Considerando-se que a torre experimental irá operar apenas em um curto período de tempo, não foram considerados no projeto a entrada de água de reposição e purga da torre. Além disso, para facilitar a operação do sistema, foi definido que a água de circulação que passa pelo processo de resfriamento não retorna ao reservatório (ou seja, a torre trabalha em ciclo aberto). A Figura 2 mostra uma representação esquemática da torre de resfriamento projetada. 

Tabela 1: Propriedades do SBS utilizado (Prismaprene® HPR 325/60B). 

Figura 2: Representação esquemática da torre de resfriamento construída. 

Conforme demonstrado na Figura 2, a forma de construção do equipamento permite que sejam variadas as alturas dos recheios utilizados através do empilhamento de camadas, tornando possível simular diferentes condições de operação. Além disso, o equipamento é de fácil transporte e limpeza, uma vez que suas partes são todas de fácil montagem, o que é ideal para o ambiente de ensino.

2.1  Coleta de dados 

A metodologia de coleta e análise de dados deste experimento foi adaptada da norma ABNT NBR 9792 [9]. Os dados coletados foram as temperaturas da água e do ar, a umidade relativa do ar e as vazões dos dois fluidos. A vazão de água circulante na entrada da torre foi controlada através de um sistema de válvulas instaladas entre a eletrobomba e o aspersor. Para medição da vazão, o equipamento possui um bypass localizado antes do aspersor para que seja medida a vazão de água circulante por análise volumétrica (medição de volume por tempo). A medição foi realizada três vezes para assegurar que não houvesse uma variação maior que 5% entre as medidas levantadas, conforme orientação da norma.  

Para medição das temperaturas da água, foram instalados termostatos digitais com resolução de 0,1 °C. A medição da temperatura de água quente foi realizada diretamente no reservatório, conforme procedimento adotado no estudo realizado por Ongaratto, Sarkisb e Rech [5], tendo em vista que é um local representativo do processo já que trata-se de equipamento em pequena escala. Para garantir a homogeneidade da temperatura da água no reservatório, a água foi agitada manualmente a cada leitura realizada. A medição da temperatura de água fria foi realizada na bacia de água resfriada.  

Para caracterização do ar úmido afluente da torre, foram realizadas as medições da temperatura de bulbo seco (Tbs) e da umidade relativa (UR) do ar utilizando-se um termo-higrômetro digital com resolução de 0,1°C, pois este instrumento é de mais fácil acesso em relação aos psicrômetros. A coleta dos valores das temperaturas foi realizada a menos de 1,5 m da entrada de ar da torre e entre 1,5 m e 2 m acima da borda da bacia de água fria, conforme orientação da norma ABNT NBR 9792 [9]. Com base na temperatura do ar (temperatura de bulbo seco) e na umidade relativa, as propriedades psicrométricas do ar foram obtidas através de uma carta psicrométrica. Esta carta psicrométrica foi plotada para a pressão atmosférica de 101,148 kPa, considerando-se a altitude da região metropolitana de Porto Alegre.   

Para a determinação da vazão de ar através da torre, a velocidade de saída do ar foi medida no bocal de saída de ar da torre com o auxílio de um termo-anemômetro. Os pontos onde foram medidas as velocidades são representados na Figura 3. 

Figura 3: Pontos de medição de velocidades ao longo da seção transversal. 

Em função de uma grande variação de velocidade entre os pontos medidos, considerou-se o valor médio das medições ao longo do perfil de velocidades. Esta variação também foi observada por Waki [10]. Desta forma, a vazão de ar foi determinada através da equação da continuidade (Equação 1) apresentada por Resnick, Halliday e Wlaker [11].  

Qa=v.A                                                                                      (1) 

 

Pelo produto da velocidade do ar (v) e da área de seção transversal da torre (A) apresentados na Equação 1, podemos determinar a vazão volumétrica de ar que passa através da torre (Qa).  A temperatura do ar na saída da torre foi medida através de um termostato com resolução de 0,1°C. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura foram escolhidos considerando-se as recomendações da ABNT NBR 10085 [12]. A tabela 2 detalha a instrumentação utilizada para a coleta de dados. 

Tabela 2: Instrumentação utilizada. 

Devido a capacidade do reservatório, após atingir a condição do ensaio, a coleta dos dados foi realizada observando a torre de resfriamento em funcionamento durante um tempo de dez minutos após a estabilização da torre. A tabela 3 resume os dados coletados durante o experimento e a quantidade de registros dos resultados ao longo de seu funcionamento.  

Tabela 3: Dados coletados durante o experimento. 

2.2  Variação dos parâmetros

O equipamento foi analisado com três diferentes configurações de recheio:  torre vazia, torre com recheio com altura de 0,5 m e torre com recheio com altura de 0,7 m. Para cada configuração de recheio, três diferentes faixas de temperatura de entrada foram analisadas. Estas temperaturas foram determinadas levando em consideração a bomba utilizada e a resistência térmica da cola que une os anéis do recheio. Ainda, um comparativo de desempenho a partir de duas temperaturas de bulbo úmido foi realizado. Além disso, para a configuração de recheio que apresentou melhor desempenho, foram realizadas variações nas vazões de água circulante para análise. Um esquema representativo das alterações realizadas nas variáveis de entrada do experimento pode ser verificado na Figura 4, sendo todas relativas à água na entrada da torre.   

Figura 4: Representação esquemática das variações de dados de entrada. 

A partir dos dados coletados, o número de Merkel foi obtido matematicamente pelo método numérico de Tchebytcheff (Equação 2), conforme a norma ABNT NBR 9792 [9] e o Cooling Technology Institute [13] orientam, uma vez que as entalpias não são uma função simples da temperatura.  

Estas entalpias foram obtidas através da carta psicrométrica utilizada e da literatura de Green e Perry (2008). Através dos dados obtidos com o experimento foram analisados os diversos parâmetros de desempenho da torre, apresentados de forma resumida na Tabela 4.  

Tabela 4: Parâmetros de desempenho analisados e suas respectivas equações.  

Assim, um comparativo foi estabelecido entre as diferentes variáveis de entrada estudadas para se avaliar a influência das mesmas em uma torre de resfriamento. 

3.  RESULTADOS E DISCUSSÃO

De acordo com a norma ABNT NBR 9792 [9], durante o período de ensaio para avaliação do equipamento não deve haver uma variação maior do que 5% na vazão de água circulante, 5% no range e 5% no approach do equipamento. Além disso, a temperatura de bulbo úmido não deve variar mais que 1°C ao longo do experimento. O gráfico representado na Figura 5 apresenta as variações percentuais no approach (Figura 5-a) e no range (Figura 5-b) observados ao longo dos 10 minutos de coleta de dados.  

Observou-se na Figura 5 uma variação no approach e no range maior do que 5% ao longo da duração do experimento. Isto ocorre principalmente em função de variações graduais na temperatura de entrada de água na torre em função de que a água perde calor para o ambiente, pois o tanque de armazenamento da água quente não é dotado de um sistema de controle de temperatura. Porém, apesar de a variação estar maior do que o especificado na ABNT NBR 9792 [9], considera-se os resultados aceitáveis, uma vez que, ao analisar os resultados em unidades de temperatura, não se teve uma variação significativa. Por isso, para as análises realizadas no equipamento, considerou-se trabalhar com o valor médio das medições realizadas para a análise dos dados. Quanto à temperatura de bulbo úmido, esta comportou-se de acordo com o especificado pela norma, não tendo variação maior que 1°C ao longo do experimento. 

Figura 5: Variação percentual no Range e no Approach medido ao longo dos ensaios. 

3.1 Análise da influência da temperatura de entrada da água no desempenho da torre de resfriamento 

O gráfico apresentado na Figura 6 demonstra, para cada configuração de recheio, o range desempenhado pelo equipamento para as três faixas de temperaturas de entrada de água utilizadas. A vazão volumétrica de água circulante na torre fixada para esta análise foi de 0,025 L/s.

Figura 6: Variação do range da torre em função da temperatura de entrada da água. 

Verificou-se que a temperatura de entrada da água na torre de resfriamento tem influência sobre o range da água de circulação, ou seja, no gradiente de temperatura da água de circulação. Assim, para a temperatura de entrada de 30 °C o range de resfriamento apresentou-se menor e, a uma temperatura de entrada de 50 °C, o range apresentado foi o maior. Estes dados estão de acordo com o que foi constatado em estudos realizados por Shahali et al. [4] e por Moreira [14] de que a temperatura de entrada tem influência no range. Da mesma forma, o gráfico apresentado na Figura 7 mostra a variação do approach para as faixas de temperatura de entrada empregadas, ou seja, a diferença entre a temperatura de saída da água e a temperatura de bulbo úmido do ar [15].  

Figura 7: Variação do approach em função da temperatura de entrada da água. 

Sabe-se que a temperatura de bulbo úmido é a menor temperatura na qual a água pode ser resfriada por umidificação [16]. Ao analisar-se a Figura 7 pode-se verificar que para a temperatura de 30 °C o approach resultante do equipamento foi o menor apresentado. Observa-se ainda que a torre demonstrou um aumento no approach proporcional ao aumento da temperatura de entrada da água onde, em 50 °C, verifica-se um approach maior. Deste modo, analisando-se individualmente o approach, a torre apresenta um melhor resultado para temperaturas mais baixas, pois sua temperatura de saída é a mais próxima da temperatura de bulbo úmido, o que está de acordo com o que foi estudado por Costa [17] e por Brum [2]. Kern [16] menciona que o approach é o parâmetro com maior grau de dificuldade de ajuste apresentado no projeto de torres de resfriamento, uma vez que a temperatura de bulbo úmido do ar varia em função das condições climáticas.  

Os resultados obtidos para o range e o approach em função da temperatura de entrada da água, apresentados na Figura 6 e na Figura 7, são explicados devido a um gradiente de temperaturas entre a temperatura de entrada da água e o ar afluente na torre. Por isso, quando elevada a temperatura de entrada da água, para uma mesma temperatura de ar na entrada, verificou-se um aumento no range, pois existe um gradiente maior, aumentando assim a troca de calor do equipamento. Este gradiente também influencia na eficiência da torre de resfriamento, conforme demonstrado na Figura 8

Figura 8: Eficiência da torre de resfriamento em função da temperatura de entrada da água. 

O gráfico apresentado na Figura 8 demonstra que a eficiência da torre varia com a temperatura de entrada da água de resfriamento, apesar de ter apresentado um aumento bastante sensível de eficiência (sendo que para a temperatura de 30 °C a torre demonstrou uma pequena variação). Isto ocorre devido à eficiência do equipamento ter como variáveis a temperatura de entrada da água, a temperatura de saída da água e a temperatura de bulbo úmido do ar na entrada da torre. Assim, o aumento da temperatura de entrada da água produz um maior diferencial de temperatura, aumentando, consequentemente, a transferência de calor e de massa do equipamento, estando conforme os resultados observados no estudo de Ongaratto, Sarkis e Rech [5] e por Shahali et al. [4] de que o aumento da temperatura da água impacta diretamente na eficiência do equipamento.  

3.2 Análise da influência do recheio no desempenho da torre de resfriamento 

Além da influência da temperatura de entrada da água na torre de resfriamento, também foram observados comportamentos diferentes para as três configurações de recheio utilizadas. Estes dados, já apresentados anteriormente nas Figuras 6, 7 e 8, estão agrupados na Figura 9.

Figura 9: Desempenho da torre para diferentes recheios utilizados. 

Como pode ser verificado na Figura 9-c, a torre sem recheio apresentou uma eficiência consideravelmente menor em relação às configurações de torre utilizando recheio. Constatou-se, ainda, que uma maior eficiência foi obtida com a maior configuração de recheio testada, com altura de 0,7 m. 

Assim sendo, pôde-se confirmar o que foi dito por Ongaratto, Sarkisb e Rech [5] e por Gao et al. [18], que a configuração de recheio tem evidente influência no desempenho do equipamento. Além disso, pôde-se confirmar o estudo comparativo de recheios realizado por Goshayshi e Missenden [19] que concluiu que é mais difícil de se atingir diferenças de temperatura maiores com um fator de fricção menor, ou seja, uma resistência menor ao escoamento, o que ocorre em torres não recheadas. Os resultados superiores de eficiência demonstrados em torres de maior recheio ocorrem já que estas aumentam o tempo de permanência da água na torre, bem como o recheio proporciona uma maior área de superfície molhada Foust et al. [8] e Kern [16].  

Além da melhor eficiência, o experimento demonstrou também na Figura 9-a e na Figura 9-b que o range e o approach obtidos para torres recheadas foram superiores aos resultados apresentados pela torre sem recheio. Assim, observa-se na Figura 9-a que para a maior temperatura testada, a torre com recheio de 0,7 m apresentou um range de 13 °C, enquanto a torre sem recheio apresentou um range de 8,1 °C, sendo que a torre de 0,5 m apresentou um resultado intermediário. Para o approach (mostrado na Figura 9-c), no entanto, na maior faixa de temperatura ensaiada a torre com recheio de 0,7 m apresentou um resultado de 16,2 °C, enquanto a torre sem recheio apresentou um approach de 20,2 °C. Conclui-se, assim, que a altura do recheio tem influência na temperatura de saída de água resfriada da torre, confirmando o que foi constatado por Shahali et al. [4]. Uma análise da capacidade de resfriamento do equipamento para diferentes recheios é demonstrada no gráfico da Figura 10.  

Conforme demonstrado na Figura 10, a torre de recheio com 0,7 m de altura demonstrou uma capacidade de resfriamento maior em relação à torre com 0,5 m e à torre sem recheio para as faixas de temperatura de 40 °C e 50 °C. Para a temperatura de 30 °C, verifica-se que a capacidade calorífica da torre de 0,5 m de recheio apresentou um resultado levemente maior em relação à torre com 0,7 m, no entanto, isso se deve a uma pequena variação na temperatura de entrada de água encontrada ao longo do experimento.

 

Através da análise da capacidade de resfriamento da torre analisada, confirma-se o que foi observado por Moreira [14] de que obtém-se uma maior capacidade de resfriamento quando o range encontrado é maior, ou seja, nas maiores temperaturas de entrada a troca térmica ocorre com mais facilidade, melhorando a capacidade de resfriamento do equipamento.   

Figura 10: Capacidade de resfriamento da torre em função dos diferentes tipos de recheio. 

3.3 Análise da influência da vazão de água circulante no desempenho da torre de resfriamento 

A vazão de entrada de água da torre de resfriamento analisada foi variada, utilizando-se uma mesma faixa de temperatura e mesmo tipo de recheio, para verificar a variação da temperatura de saída da água. Desta forma, o gráfico apresentado na Figura 11 demonstra um comparativo do range obtido em função da variação de vazão de água com a temperatura de entrada da água a 40°C, altura de recheio de 0,7 m e vazão e fluxo de ar constante.  

Figura 11: Variação do range da torre em função da vazão de água. 

Através desta análise, verifica-se que existe variação no range da torre em função da vazão de água circulante. Verifica-se na Figura 11 que obteve-se um gradiente de temperatura da água circulante maior para menores vazões de água, e que para a maior vazão ensaiada o range obtido foi menor. Desta forma, pode-se validar a teoria de que “quanto menor o ar circulado por libra de água, menor a extensão do resfriamento” [16]. Ou seja, quanto menor a quantidade de água de circulação, mantendo-se o fluxo de ar constante na torre, maior será a extensão do resfriamento. Isto pode ser justificado no estudo realizado por Chopra e Kumar [3] onde foi demonstrado que com o aumento da vazão de água, ocorre uma redução da convecção e da evaporação, gerando temperaturas de saída maiores para a água.  A eficiência da torre de resfriamento para as diferentes vazões de água de entrada é mostrada na Figura 12.  

Da mesma forma como o range aumenta para vazões de água circulante menores, o comportamento da eficiência da torre de resfriamento também foi visivelmente superior. Isto ocorre porque com o aumento da vazão de água, a transferência de calor por convecção e a evaporação da água são reduzidas, pois tem-se uma massa maior de água a ser resfriada por uma mesma quantidade de ar, tendo em vista que a velocidade do ventilador foi mantida constante, confirmando o que foi constatado por Ongaratto, Sarkisb e Rech [5], Shahali et al. [4] e Chopra e Kumar [3]. Shahali et al. [4] afirmam em seu estudo que, dentre todas as variáveis analisadas, o fluxo de água circulante é o parâmetro com impacto mais significativo da eficiência do equipamento.  

Figura 12: Variação da eficiência da torre em função da vazão de água. 

3.4 Análise da influência da temperatura de bulbo úmido no desempenho da torre de resfriamento 

Uma análise comparativa de diferentes condições do ar afluente foi realizada para verificar sua influência nas condições de operação da torre de resfriamento. Assim, a Figura 13 apresenta a variação do range para diferentes configurações de recheio, com dados coletados em dias distintos com diferentes temperaturas de bulbo úmido obtida através da carta psicrométrica a partir da temperatura de bulbo seco e da umidade relativa do ar.

Figura 13: Variação do range da torre em função da temperatura de bulbo úmido. 

Assim, observou-se que o range apresentado pela torre de resfriamento estudada diminui com o aumento da temperatura de bulbo úmido, confirmando o que foi constatado por Schwedler [20] e por He et al. [21] de que as condições psicrométricas do ar influenciam no range obtido para torres de resfriamento. O comportamento do approach é demonstrado na Figura 14.

Figura 14: Variação do approach da torre em função da temperatura de bulbo úmido. 

Pode-se verificar que se obteve um approach menor para temperaturas de bulbo úmido maiores, o que está em conformidade com o que foi constatado por Schwedler [20]. Vale também ressaltar que dentre as três configurações de recheio analisadas, a torre com recheio de 0,7 m foi a que apresentou melhores resultados, com um range da água de circulação maior e um approach menor. Por fim, o gráfico demonstrado na Figura 15 demonstra a eficiência do equipamento em função da temperatura de bulbo úmido.

Figura 15: Variação da eficiência da torre em função da temperatura de bulbo úmido. 

Conforme demonstrado na Figura 15, para a torre sem recheio e para a torre com recheio de 0,7 m o comportamento da eficiência da torre apresentou uma redução com o aumento da temperatura de bulbo úmido, estando de acordo com o que foi observado por He et al. [21] e por Schwedler [20]. De acordo com este último autor, isso ocorre porque para temperaturas de bulbo úmido mais baixas, há uma maior rejeição de calor que ocorre na forma de calor sensível. Para a torre de resfriamento com 0,5 m, no entanto, este comportamento não foi observado, não estando de acordo com o que foi descrito pelos autores. Além disso, conforme foi constatado nos experimentos anteriormente discutidos, para ambas as temperaturas de bulbo úmido a torre de 0,7 m apresentou melhor eficiência.  

 

3.5 Análise do coeficiente global de transferência de massa da torre de resfriamento 

A análise do coeficiente volumétrico global de transferência de massa (Kya) da torre de resfriamento é demonstrada na Figura 16, calculada a partir da equação de Merkel para as três condições de recheio verificadas utilizando a temperatura de entrada da água de 40 °C e vazão volumétrica constante de 0,025 L/s. 

Figura 16: Variação do coeficiente volumétrico global de transferência de massa em função do tipo de recheio. 

Como foi apresentado na Figura 16, verifica-se que o coeficiente volumétrico de transferência de massa apresentado é diferente para cada recheio, o que confirma o que foi afirmado por Kern [16] de que este coeficiente é característico para cada configuração de recheio, também constatado no estudo comparativo realizado por Ongaratto, Sarkis e Rech [5]. Além disso, observou-se que o coeficiente global de transferência de massa é maior para a torre utilizando recheios do que para a torre sem recheio, sendo mais eficiente a transferência de massa para o recheio com 0,7 m de altura que obteve desempenho melhor. Portanto, verifica-se que quanto maior for a eficiência do recheio, maior será o coeficiente global de transferência de massa.  

Utilizando esta última característica de recheio, um comparativo foi realizado estudando também a influência da vazão de entrada da água com temperatura de entrada constante de 40 °C. Este comparativo é apresentado na Figura 17.

Figura 17: Variação do coeficiente volumétrico global de transferência de massa em função da vazão de água. 

O coeficiente global de transferência de massa de torres de resfriamento depende do tipo de recheio e das velocidades de escoamento dos fluidos. Assim, para vazões maiores de água obtêm-se maiores coeficientes globais de transferência de massa [16]. No entanto, a Figura 17 demonstra um comportamento não uniforme do coeficiente global de transferência de massa em função da variação da vazão. Esta mesma falta de uniformidade foi observada nos dados analisados por Waki [10] para vazões de água abaixo de 13 kg/s.m².  

Esta diferença de comportamento é explicada por Ongaratto, Sarkis e Rech [5], que também encontrou em seu estudo uma falta de uniformidade no coeficiente global de transferência de massa em uma torre em escala semelhante. Segundo os autores, em função da escala do equipamento, com o aumento da vazão de água circulante parte da água atinge diretamente as paredes da torre, não sendo distribuída uniformemente pelo recheio. Isto faz com que a área de transferência de massa seja afetada, impactando no coeficiente global. 

4.  CONCLUSÃO

A partir de uma revisão bibliográfica sobre torres de resfriamento e os mecanismos de transferência de calor e massa envolvidos no processo, seguido da construção de um modelo em escala de bancada adequado para fins didáticos, posterior coleta de dados experimentais e análise dos mesmos, constatou-se que o estudo das variáveis do processo de uma torre de resfriamento tem grande impacto no seu desempenho final. Sendo assim, avaliou-se a influência da temperatura de entrada da água, da vazão de água circulante no equipamento e da temperatura de bulbo úmido. Além disso, foram incluídas nas variáveis três diferentes configurações de recheio na torre.  

Sendo assim, com o intuito de avaliar o desempenho geral da torre, foram calculados o range e o approach de resfriamento, a eficiência do processo e a capacidade de remoção do calor da água. Também, a partir da equação de Merkel, foi calculado o coeficiente volumétrico global de transferência de massa característico para os recheios utilizados, proporcionando assim a visualização dos fenômenos envolvidos no processo.  

Com os experimentos realizados, verificou-se que a torre de resfriamento analisada teve melhor desempenho com as seguintes variáveis: temperatura de entrada mais elevadas, vazão de água circulante reduzida, temperaturas de bulbo úmido menores e recheio de 0,7 m. Ainda, para uma mesma configuração de recheio, verificou-se que a variável que tem maior influência na eficiência das torres de resfriamento é a vazão de água. Os resultados encontrados corroboram com os dados encontrados na literatura pertinente a este assunto.  

Em relação ao coeficiente global de transferência de massa, no entanto, observou-se uma não uniformidade de seu comportamento nos resultados encontrados com a variação da vazão de água, sendo essa uma das limitações do trabalho.  

Além disso, houve a necessidade de trabalhar com o circuito aberto (sem que a água resfriada retorne ao reservatório) em função das condições de controle de aquecimento da água. Também por este motivo, e não se tratando de um processo adiabático perfeito, com perdas de calor da água do reservatório para o ambiente, houve variações graduais na temperatura de entrada da água ao longo dos experimentos. Ainda, a vazão de ar foi mantida constante ao longo dos experimentos, uma vez que o sistema construído não permite que uma variação vazão seja realizada. 

No entanto, de um modo geral, este trabalho atingiu seus objetivos de construção da torre de resfriamento e avaliação das variáveis de processo no seu desempenho. Por se tratar da construção de um modelo do equipamento em escala de bancada para utilização como ferramenta de ensino, espera-se que a torre proporcione a aplicação prática dos conhecimentos teóricos abordados nas disciplinas de Engenharia, gerando familiaridade com sistemas reais encontrados em processos industriais.   

 

5.  AGRADECIMENTOS 

O presente trabalho foi realizado com o apoio da Capes, entidade do governo brasileiro focada na formação de recursos humanos. Os autores também agradecem ao apoio financeiro de agências brasileiras: CNPq e a Fapergs. 

6.  REFERÊNCIAS

[1] ROCHA, Raquel Estevez et al. Construção de um protótipo de uma torre de resfriamento para reaproveitamento do efluente dos destiladores de bancada. VII Simpósio de Engenharia de Produção de Sergipe. São Cristóvão, p. 293-302, 2015.  

[2] BRUM, Lara da Silva. Avaliação Operacional de Torres de Resfriamento: Um Estudo de Caso em Uma Torre no RS. 2015. 60 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015. 

[3] CHOPRA, Manoj Kumar; KUMAR, Rahul. An Investigation in Performance Enhancement of Induced Draft Counter Flow Wet Cooling Tower. International Research Journal of Engineering And Technology (irjet), Bhopal, v. 4, n. 8, p.2107-2111, ago. 2017. 

[4] SHAHALI, Pooriya et al. Experimental study on improving operating conditions of wet cooling towers using various rib numbers of packing. International Journal of Refrigeration, [s.l.], v. 65, p.80-91, maio 2016. 

[5] ONGARATTO, R.s.; SARKISB, J.r.; RECH, R.. Construção de Uma Torre de Resfriamento de Bancada para o Ensino de Operações Unitárias. Revista de Ensino de Engenharia, [s.l.], v. 29, n. 2, p.27-34, 31 dez. 2010. 

[6] SAMPAIO, F. S. Torre de Resfriamento: Modelagem, Simulação e Testes Experimentais para o Apoio ao Ensino de Engenharia Mecânica. 2013. 158 f. Monografia – Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Brasília, Brasília, 2013. 

[7] SAPUNARU, Raquel Anna et al. As influências das torres hiperbólicas nas usinas termoelétricas: um foco termonuclear. Ciência e Natura, [s.l.], v. 37, n. 1, p.30-34, 18 jun. 2015. 

[8] FOUST, Alan S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 1982. 670 p. 

[9] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9792: Torres de resfriamento de água – Ensaio para verificação do desempenho em torres de tiragem mecânica – Método de ensaio. 2 ed. Rio de Janeiro: ABNT, 2015. 13 p. 

[10] WAKI, Renata. Montagem e Avaliação de uma torre de resfriamento para uso em atividades de ensino de graduação. 2009. 115 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Química, Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2009. 

[11] RESNICK, R. , HALLIDAY, D. , WLAKER, J. Fundamentos de Física. Vol. 2. 8ª Ed. Rio de Janeiro. LTC. 2009. 

[12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10085: Medição de Temperatura em Condicionamento de Ar. Rio de Janeiro: ABNT, 1987. 14 p. 

[13] COOLING TECHNOLOGY INSTITUTE. Cooling Technology Institute. What is a cooling tower. Disponível em: <https://www.cti.org/whatis/coolingtower.php>. Acesso em: 26 mar. 2018. 

[14] MOREIRA, Leonardo. Projeto e análise de desempenho de um trocador de calor para uma torre de resfriamento com circuito fechado. 2016. 76 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Mecânica, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade Feevale, Novo Hamburgo, 2016. 

[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6111: Torres de resfriamento de água - Terminologia. 2 ed. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. 10 p. 

[16] KERN, Donald Q. Processos de Transmissão de Calor. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 671 p., 1987.  

[17] COSTA, José Angelo Peixoto da. Utilização de materiais alternativos como enchimento de torres de resfriamento. 2006.

166 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2006. 

[18] GAO, Ming et al. Influence of non-uniform layout fillings on thermal performance for wet cooling tower. Applied Thermal Engineering, [s.l.], v. 93, p.54 9-555, jan. 2016. 

[19] GOSHAYSHI, H.r.; MISSENDEN, J.f.. The investigation of cooling tower packing in various arrangements. Applied Thermal Engineering, [s.l.], v. 20, n. 1, p.69-80, jan. 2000. 

[20] SCHWEDLER, Mick. Effect of Heat Rejection Load and Wet Bulb on Cooling Tower Performance. Ashrae Journal. Sl, p. 16-22. jan. 2014. 

[21] HE, Suoying et al. Comparative study on the performance of natural draft dry, pre-cooled and wet cooling towers. Applied Thermal Engineering, [s.l.], v. 99, p.103-113, abr. 2016. 

© 2021 CREA-RS. Todos os direitos reservados.