Compreendendo os fundamentos da transferência de calor da torre de resfriamento

As preocupações ambientais com relação à proteção de criaturas aquáticas tanto na entrada quanto na saída de sistemas de passagem única eliminaram essencialmente o resfriamento de passagem única para plantas modernas. Mas esse desenvolvimento ocorre em um momento em que muitas das novas usinas de ciclo combinado e outras instalações estão sendo administradas por pessoas novas no setor. A compreensão fundamental é crítica.

O resfriamento único era um recurso de projeto comum para grandes usinas de energia no século passado, pois o processo poderia fornecer efetivamente os altos volumes de água necessários para a condensação do vapor de exaustão da turbina e o resfriamento do trocador de calor auxiliar. No entanto, as preocupações ambientais com relação à proteção de criaturas aquáticas tanto na entrada quanto na saída de sistemas de passagem única eliminaram essencialmente o resfriamento de passagem única para plantas modernas.

Agora, as torres de resfriamento, ou alguma variação delas, como resfriadores de ar de superfície úmida (WSAC®) ou mesmo condensadores resfriados a ar, são a norma. Mas esse desenvolvimento ocorre em um momento em que muitas das novas usinas de ciclo combinado e outras instalações estão sendo administradas por pessoas novas no setor. A compreensão fundamental é crítica para a operação adequada da água de resfriamento e de outros sistemas.

Noções básicas da torre de resfriamento

Para fins desta discussão, vamos nos concentrar na torre de resfriamento industrial mais comum, conforme ilustrado abaixo.

Figura 1. Esquema de uma célula de uma torre de resfriamento de corrente induzida e contrafluxo. Fonte: Post, R. e B. Buecker, "Power Plant Cooling Water Fundamentals"; seminário pré-conferência para o 37º Workshop Anual de Química de Utilidades Elétricas, 6 a 8 de junho de 2017, Champaign, Illinois. Para saber mais sobre futuros EUCWs, visite o site www.conferences.illinois.edu/eucw

Conforme ilustrado na figura, o efluente quente dos trocadores de calor da planta entra na torre e é pulverizado sobre o preenchimento da torre de resfriamento. O ar entra na parte inferior da torre e entra em contato com a água em contracorrente para ajudar a maximizar a transferência de calor. A água resfriada é coletada em um reservatório para retornar aos trocadores de calor, enquanto o ar quente é expelido para a atmosfera.

Um componente chave nas torres de resfriamento é o material de preenchimento, que ajuda ainda mais a maximizar o contato ar/água. A seguir, são mostrados dois tipos, o preenchimento por respingo moderno e o preenchimento de filme de maior eficiência.

Figura 2. Preenchimento de salpicos de plástico moderno. Foto cortesia de Brentwood Industries e Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Figura 3. Preenchimento de filme de canal cruzado de alta eficiência. Foto cortesia de Brentwood Industries e Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Várias opções intermediárias estão disponíveis, onde a seleção depende da qualidade da água de resfriamento projetada e do potencial de incrustação no meio, que o autor abordará em um artigo futuro para a Power Engineering.

A próxima seção examina os fundamentos da transferência de calor em uma torre de resfriamento.

Alguns cálculos básicos de transferência de calor

A Figura 4 ilustra as condições reais que podem ser observadas em uma torre de resfriamento operando em um dia ameno de primavera.

Figura 4. Exemplo de um conjunto de condições do mundo real para uma torre de resfriamento. Fonte: Potter, MC e CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers; McGraw-Hill, Nova York, NY, 1993.

Observe que a umidade relativa (UR) do ar de entrada é de 50%, enquanto a UR da exaustão da torre é quase 100%. Esses dados ajudam a ilustrar que o principal método de transferência de calor em uma torre de resfriamento é por meio da evaporação do que normalmente é uma pequena fração (2 a 3 por cento) da água de recirculação. Embora a matemática do projeto de fluxo da torre de resfriamento possa ser um tanto complexa, várias equações simples foram desenvolvidas para aproximar diretamente os fluxos de evaporação, purga e reposição para uma torre de resfriamento.

A fórmula padrão para a evaporação é,

E = (f * R * DDT)/1000, onde a Eq. 1