Torres de resfriamento ou torres de resfriamento são estruturas projetadas para diminuir a temperatura da água e de outros meios. O principal uso de grandes torres de resfriamento industriais é reduzir a temperatura da água de resfriamento usada em usinas de energia, refinarias de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de processamento de gás natural e outras instalações industriais.
Em relação ao mecanismo utilizado para transferência de calor, os principais tipos são:.
Numa torre de resfriamento úmida, a água quente pode ser resfriada a uma temperatura inferior à ambiente se o ar estiver relativamente seco (ver: ponto de orvalho).
Com relação à tiragem de ar na torre, existem três tipos de torres de resfriamento:
Sob certas condições ambientais, nuvens de vapor d'água (névoa) podem ser vistas emergindo de uma torre de resfriamento úmida (ver imagem).
As torres de resfriamento usam a evaporação da água para rejeitar o calor de um processo como a geração de energia elétrica. As torres de resfriamento variam em tamanho, desde estruturas pequenas até estruturas muito grandes, que podem ultrapassar 220 metros de altura e 100 metros de comprimento. Torres menores são geralmente construídas em fábricas, enquanto as maiores são construídas diretamente no local.
História
As torres de resfriamento tiveram origem no século XIX, com o desenvolvimento de condensadores para aproveitamento do vapor do motor. Os condensadores usam água relativamente fria para condensar o vapor criado pelos cilindros ou turbinas. Isto reduz a pressão que consequentemente reduz o consumo de vapor e, portanto, de combustível, ao mesmo tempo que aumenta a potência e recicla a água da caldeira.[2].
Em qualquer caso, os condensadores requerem um amplo fornecimento de água de resfriamento, sem o qual se tornam completamente impraticáveis.[3][4].
Estima-se que o consumo de água de resfriamento reduza a energia disponível para a maioria das usinas térmicas.
No final do século, alguns métodos de evaporação, para reciclar a água de resfriamento, eram utilizados em áreas sem fonte constante de água; confiável em momentos de demanda; ou de outra forma adequado para atender às necessidades de resfriamento.[1][4] Em áreas com terras disponíveis, os sistemas assumiram a forma de lagoas de resfriamento; Em áreas com terras limitadas, como cidades, elas assumiram a forma de torres de resfriamento.[3][5].
Estrutura da torre de resfriamento
Introdução
Em geral
Torres de resfriamento ou torres de resfriamento são estruturas projetadas para diminuir a temperatura da água e de outros meios. O principal uso de grandes torres de resfriamento industriais é reduzir a temperatura da água de resfriamento usada em usinas de energia, refinarias de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de processamento de gás natural e outras instalações industriais.
Em relação ao mecanismo utilizado para transferência de calor, os principais tipos são:.
Numa torre de resfriamento úmida, a água quente pode ser resfriada a uma temperatura inferior à ambiente se o ar estiver relativamente seco (ver: ponto de orvalho).
Com relação à tiragem de ar na torre, existem três tipos de torres de resfriamento:
Sob certas condições ambientais, nuvens de vapor d'água (névoa) podem ser vistas emergindo de uma torre de resfriamento úmida (ver imagem).
As torres de resfriamento usam a evaporação da água para rejeitar o calor de um processo como a geração de energia elétrica. As torres de resfriamento variam em tamanho, desde estruturas pequenas até estruturas muito grandes, que podem ultrapassar 220 metros de altura e 100 metros de comprimento. Torres menores são geralmente construídas em fábricas, enquanto as maiores são construídas diretamente no local.
História
As torres de resfriamento tiveram origem no século XIX, com o desenvolvimento de condensadores para aproveitamento do vapor do motor. Os condensadores usam água relativamente fria para condensar o vapor criado pelos cilindros ou turbinas. Isto reduz a pressão que consequentemente reduz o consumo de vapor e, portanto, de combustível, ao mesmo tempo que aumenta a potência e recicla a água da caldeira.[2].
Em qualquer caso, os condensadores requerem um amplo fornecimento de água de resfriamento, sem o qual se tornam completamente impraticáveis.[3][4].
Estima-se que o consumo de água de resfriamento reduza a energia disponível para a maioria das usinas térmicas.
Essas torres de resfriamento primárias foram posicionadas nos telhados dos edifícios, bem como em estruturas independentes, e foram resfriadas pelo ar de ventiladores ou alguma outra fonte natural.[3][5] Um livro de engenharia americano de 1911 descreve um projeto como Uma placa de metal leve, na verdade uma chaminé, muito mais curta verticalmente e muito mais alongada lateralmente. Na parte superior existe um conjunto de canais de distribuição, para onde deve ser bombeada a água do condensador; Destes escoa para “tapetes” feitos de ripas de madeira ou telas de arame trançado, que preenchem o espaço interno da torre.[5].
Uma torre de resfriamento hiperbolóide foi patenteada pelos engenheiros holandeses Frederik van Iterson e Gerard Kuypers em 1918.[6] As primeiras torres de resfriamento hiperbolóides foram construídas em 1918, perto de Heerlen. As primeiras torres no Reino Unido foram construídas em 1924 na central eléctrica de Lister Drive, em Liverpool, Inglaterra, para arrefecer a água utilizada numa central eléctrica a carvão.[7].
De acordo com o relatório do Gas Technology Institute (GTI), o resfriamento evaporativo indireto do ponto de orvalho do Ciclo Maisotsenko (Ciclo M) é um método teoricamente sólido para reduzir um fluido a uma temperatura de ponto de orvalho inferior à temperatura de bulbo úmido. O ciclo M utiliza a energia psicrométrica (ou energia potencial) disponível a partir do calor latente da água que evapora no ar. Embora sua manifestação atual seja o Ciclo HMX M para ar condicionado, através de projeto de engenharia, este ciclo poderia ser aplicado como um dispositivo de recuperação de calor e umidade para dispositivos de combustão, torres de resfriamento, condensadores e outros processos envolvendo fluxos de gases úmidos.
Estima-se que o consumo de água de resfriamento por usinas de energia e de processamento interno reduza a disponibilidade de energia para a maioria das usinas termelétricas até 2040–2069.[8].
Em 2021, pesquisadores apresentaram um método para recuperação de vapor. O vapor é carregado por um feixe de íons e então capturado em uma malha de arame com carga oposta. A pureza da água excedeu os padrões de potabilidade da EPA.[9].
A torre de resfriamento usada como chaminé
Em algumas usinas modernas equipadas com dutos de purificação de gás, como a Usina Staudinger de Grosskrotzenburg e a Usina de Rostock, a torre de resfriamento também é usada como chaminé. Em instalações que não possuem dutos de purificação de gases, isso causa problemas de corrosão.
Balanço material de uma torre de resfriamento úmida
Quantitativamente, o equilíbrio de material em torno de um sistema de torre de resfriamento úmido é controlado pelas variáveis operacionais estruturais: vazão, perdas por evaporação e vento, taxa de trasfega e ciclos de concentração:
No esboço acima, a água bombeada do reservatório da torre é água de resfriamento encaminhada através de resfriadores e condensadores de processo em uma instalação industrial. A água fria absorve calor das correntes quentes do processo que precisam ser resfriadas ou condensadas, e o calor absorvido aquece a água circulante (C). A água aquecida retorna ao topo da torre de resfriamento e cai em jatos finos – apresentando uma grande área de superfície para resfriamento do ar – sobre o material de preenchimento dentro da torre. Ao pingar, entra em contato com o ar que sobe pela torre, por tiragem natural ou forçada por grandes ventiladores. Esse contato faz com que uma pequena quantidade de água seja perdida por arrasto do vento (W) e outra parte da água (E) por evaporação. O calor necessário para evaporar a água é derivado da própria água, que a resfria ao retornar ao tanque original e onde fica novamente disponível para circulação. A água evaporada deixa os sais que contém dissolvidos na maior parte da água que não sofreu evaporação, o que faz com que a concentração de sais aumente na água de resfriamento circulante. Para evitar que a concentração de sais na água fique muito elevada, parte da água é retirada (D) para descarte. Uma nova cota de água doce (M) é fornecida ao reservatório da torre para compensar as perdas por evaporação de água, vento e água retirada.
O equilíbrio da água em todo o sistema é:.
Como a água evaporada (E) não contém sais, o equilíbrio de cloretos do sistema é:.
e, consequentemente:
De um balanço térmico simplificado da torre:
As perdas pelo vento (W), na ausência de dados do fabricante, podem ser estimadas em:.
Os ciclos de concentração nas torres de resfriamento de uma refinaria de petróleo são normalmente entre 3 e 7. Em algumas grandes usinas de energia. Os ciclos de concentração da torre de resfriamento podem ser muito maiores.
Métodos de transferência de calor
Com relação ao mecanismo de transferência de calor utilizado, os principais tipos são:.
Em uma torre de resfriamento úmida (ou torre de resfriamento de circuito aberto), a água quente pode ser resfriada a uma temperatura "inferior" à temperatura de bulbo seco do ar ambiente, se o ar estiver relativamente seco (ver ponto de orvalho e psicrometria). À medida que o ar ambiente passa através de um fluxo de água, uma pequena porção da água evapora e a energia necessária para evaporar essa porção da água é retirada da massa restante de água, reduzindo assim a sua temperatura. Aproximadamente 2.300 quilojoules por quilograma de energia térmica são absorvidos pela água evaporada. A evaporação resulta em condições de ar saturado, o que reduz a temperatura da água processada pela torre a um valor próximo da temperatura de bulbo úmido, que é inferior à temperatura ambiente de bulbo seco, diferença determinada pela umidade inicial do ar ambiente.
Para obter melhor desempenho (mais resfriamento), um meio denominado “enchimento” é utilizado para aumentar a área superficial e o tempo de contato entre os fluxos de ar e água. O “preenchimento com respingos” consiste em material colocado para interromper o fluxo de água e causar respingos. O "preenchimento de filme" é feito de finas folhas de material (geralmente PVC) sobre as quais a água flui. Ambos os métodos criam uma maior área superficial e tempo de contato entre o fluido (água) e o gás (ar), para melhorar a transferência de calor.
Referências
[1] ↑ a b International Correspondence Schools (1902). A Textbook on Steam Engineering. Scranton, Pa.: International Textbook Co. 33–34 of Section 29:"Condensers".: https://archive.org/details/textbookonsteame04inteiala
[3] ↑ a b c Heck, Robert Culbertson Hays (1911). The Steam Engine and Turbine: A Text-Book for Engineering Colleges. New York: D. Van Nostrand. pp. 569-570.: https://archive.org/details/steamengineturbi00heck
[4] ↑ a b Watson, Egbert P. (1906). «Power plant and allied industries». The Engineer (With Which is Incorporated Steam Engineering) (Chicago: Taylor Publishing Co.) 43 (1): 69-72.: https://books.google.com/books?id=cKUiAQAAMAAJ
[5] ↑ a b c Snow, Walter B. (1908). The Steam Engine: A Practical Guide to the Construction, Operation, and care of Steam Engines, Steam Turbines, and Their Accessories. Chicago: American School of Correspondence. pp. 43-46.: https://archive.org/details/steamenginepract00amerrich
[8] ↑ van Vliet, Michelle T. H.; Wiberg, David; Leduc, Sylvain; Riahi, Keywan (2016). «Power-generation system vulnerability and adaptation to changes in climate and water resources». Nature Climate Change 6 (4): 375-380. Bibcode:2016NatCC...6..375V. ISSN 1758-678X. doi:10.1038/nclimate2903.: http://adsabs.harvard.edu/abs/2016NatCC...6..375V
No final do século, alguns métodos de evaporação, para reciclar a água de resfriamento, eram utilizados em áreas sem fonte constante de água; confiável em momentos de demanda; ou de outra forma adequado para atender às necessidades de resfriamento.[1][4] Em áreas com terras disponíveis, os sistemas assumiram a forma de lagoas de resfriamento; Em áreas com terras limitadas, como cidades, elas assumiram a forma de torres de resfriamento.[3][5].
Essas torres de resfriamento primárias foram posicionadas nos telhados dos edifícios, bem como em estruturas independentes, e foram resfriadas pelo ar de ventiladores ou alguma outra fonte natural.[3][5] Um livro de engenharia americano de 1911 descreve um projeto como Uma placa de metal leve, na verdade uma chaminé, muito mais curta verticalmente e muito mais alongada lateralmente. Na parte superior existe um conjunto de canais de distribuição, para onde deve ser bombeada a água do condensador; Destes escoa para “tapetes” feitos de ripas de madeira ou telas de arame trançado, que preenchem o espaço interno da torre.[5].
Uma torre de resfriamento hiperbolóide foi patenteada pelos engenheiros holandeses Frederik van Iterson e Gerard Kuypers em 1918.[6] As primeiras torres de resfriamento hiperbolóides foram construídas em 1918, perto de Heerlen. As primeiras torres no Reino Unido foram construídas em 1924 na central eléctrica de Lister Drive, em Liverpool, Inglaterra, para arrefecer a água utilizada numa central eléctrica a carvão.[7].
De acordo com o relatório do Gas Technology Institute (GTI), o resfriamento evaporativo indireto do ponto de orvalho do Ciclo Maisotsenko (Ciclo M) é um método teoricamente sólido para reduzir um fluido a uma temperatura de ponto de orvalho inferior à temperatura de bulbo úmido. O ciclo M utiliza a energia psicrométrica (ou energia potencial) disponível a partir do calor latente da água que evapora no ar. Embora sua manifestação atual seja o Ciclo HMX M para ar condicionado, através de projeto de engenharia, este ciclo poderia ser aplicado como um dispositivo de recuperação de calor e umidade para dispositivos de combustão, torres de resfriamento, condensadores e outros processos envolvendo fluxos de gases úmidos.
Estima-se que o consumo de água de resfriamento por usinas de energia e de processamento interno reduza a disponibilidade de energia para a maioria das usinas termelétricas até 2040–2069.[8].
Em 2021, pesquisadores apresentaram um método para recuperação de vapor. O vapor é carregado por um feixe de íons e então capturado em uma malha de arame com carga oposta. A pureza da água excedeu os padrões de potabilidade da EPA.[9].
A torre de resfriamento usada como chaminé
Em algumas usinas modernas equipadas com dutos de purificação de gás, como a Usina Staudinger de Grosskrotzenburg e a Usina de Rostock, a torre de resfriamento também é usada como chaminé. Em instalações que não possuem dutos de purificação de gases, isso causa problemas de corrosão.
Balanço material de uma torre de resfriamento úmida
Quantitativamente, o equilíbrio de material em torno de um sistema de torre de resfriamento úmido é controlado pelas variáveis operacionais estruturais: vazão, perdas por evaporação e vento, taxa de trasfega e ciclos de concentração:
No esboço acima, a água bombeada do reservatório da torre é água de resfriamento encaminhada através de resfriadores e condensadores de processo em uma instalação industrial. A água fria absorve calor das correntes quentes do processo que precisam ser resfriadas ou condensadas, e o calor absorvido aquece a água circulante (C). A água aquecida retorna ao topo da torre de resfriamento e cai em jatos finos – apresentando uma grande área de superfície para resfriamento do ar – sobre o material de preenchimento dentro da torre. Ao pingar, entra em contato com o ar que sobe pela torre, por tiragem natural ou forçada por grandes ventiladores. Esse contato faz com que uma pequena quantidade de água seja perdida por arrasto do vento (W) e outra parte da água (E) por evaporação. O calor necessário para evaporar a água é derivado da própria água, que a resfria ao retornar ao tanque original e onde fica novamente disponível para circulação. A água evaporada deixa os sais que contém dissolvidos na maior parte da água que não sofreu evaporação, o que faz com que a concentração de sais aumente na água de resfriamento circulante. Para evitar que a concentração de sais na água fique muito elevada, parte da água é retirada (D) para descarte. Uma nova cota de água doce (M) é fornecida ao reservatório da torre para compensar as perdas por evaporação de água, vento e água retirada.
O equilíbrio da água em todo o sistema é:.
Como a água evaporada (E) não contém sais, o equilíbrio de cloretos do sistema é:.
e, consequentemente:
De um balanço térmico simplificado da torre:
As perdas pelo vento (W), na ausência de dados do fabricante, podem ser estimadas em:.
Os ciclos de concentração nas torres de resfriamento de uma refinaria de petróleo são normalmente entre 3 e 7. Em algumas grandes usinas de energia. Os ciclos de concentração da torre de resfriamento podem ser muito maiores.
Métodos de transferência de calor
Com relação ao mecanismo de transferência de calor utilizado, os principais tipos são:.
Em uma torre de resfriamento úmida (ou torre de resfriamento de circuito aberto), a água quente pode ser resfriada a uma temperatura "inferior" à temperatura de bulbo seco do ar ambiente, se o ar estiver relativamente seco (ver ponto de orvalho e psicrometria). À medida que o ar ambiente passa através de um fluxo de água, uma pequena porção da água evapora e a energia necessária para evaporar essa porção da água é retirada da massa restante de água, reduzindo assim a sua temperatura. Aproximadamente 2.300 quilojoules por quilograma de energia térmica são absorvidos pela água evaporada. A evaporação resulta em condições de ar saturado, o que reduz a temperatura da água processada pela torre a um valor próximo da temperatura de bulbo úmido, que é inferior à temperatura ambiente de bulbo seco, diferença determinada pela umidade inicial do ar ambiente.
Para obter melhor desempenho (mais resfriamento), um meio denominado “enchimento” é utilizado para aumentar a área superficial e o tempo de contato entre os fluxos de ar e água. O “preenchimento com respingos” consiste em material colocado para interromper o fluxo de água e causar respingos. O "preenchimento de filme" é feito de finas folhas de material (geralmente PVC) sobre as quais a água flui. Ambos os métodos criam uma maior área superficial e tempo de contato entre o fluido (água) e o gás (ar), para melhorar a transferência de calor.
Referências
[1] ↑ a b International Correspondence Schools (1902). A Textbook on Steam Engineering. Scranton, Pa.: International Textbook Co. 33–34 of Section 29:"Condensers".: https://archive.org/details/textbookonsteame04inteiala
[3] ↑ a b c Heck, Robert Culbertson Hays (1911). The Steam Engine and Turbine: A Text-Book for Engineering Colleges. New York: D. Van Nostrand. pp. 569-570.: https://archive.org/details/steamengineturbi00heck
[4] ↑ a b Watson, Egbert P. (1906). «Power plant and allied industries». The Engineer (With Which is Incorporated Steam Engineering) (Chicago: Taylor Publishing Co.) 43 (1): 69-72.: https://books.google.com/books?id=cKUiAQAAMAAJ
[5] ↑ a b c Snow, Walter B. (1908). The Steam Engine: A Practical Guide to the Construction, Operation, and care of Steam Engines, Steam Turbines, and Their Accessories. Chicago: American School of Correspondence. pp. 43-46.: https://archive.org/details/steamenginepract00amerrich
[8] ↑ van Vliet, Michelle T. H.; Wiberg, David; Leduc, Sylvain; Riahi, Keywan (2016). «Power-generation system vulnerability and adaptation to changes in climate and water resources». Nature Climate Change 6 (4): 375-380. Bibcode:2016NatCC...6..375V. ISSN 1758-678X. doi:10.1038/nclimate2903.: http://adsabs.harvard.edu/abs/2016NatCC...6..375V