Engenharia de Processos

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  • Publicado : 28 de março de 2014
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1) Introdução:
A maioria dos sistemas de refrigeração tem como principal característica rejeitar calor para a atmosfera. Embora existam aplicações onde o calor rejeitado de um dado ciclo é reaproveitado para aquecer outras correntes do processo, como por exemplo, os trocadores de calor integrados, ainda assim é muito comum o rejeito de calor para o ar ambiente. Existem vários equipamentosprojetados para tal finalidade, entre eles pode-se citar “air-cooled condenser”, torres de resfriamento, entre outros. Neste trabalho será utilizada, somente, torre de resfriamento. Em uma torre de resfriamento a água é resfriada devido ao contato direto desta com o ar e, também, devido à sua evaporação. Na torre a água é injetada através de bocais de pequeno diâmetro, permitindo assim a entradadesta na forma de pequenas gotículas, isto é feito com o intuito de obter uma maior área de contato para a transferência de calor, e esta ainda cai sobre superfícies que estão lá presentes com a finalidade de aumentar o tempo de contato entre a água e o ar, ajudando assim a maximizar a transferência de calor entre eles. O ar pode ser lançado para o interior da torre tanto por convecção natural,quanto por convecção forçada. As primeiras são geralmente construídas de concreto e possuem grandes tamanhos podendo alcançar de 50 a 100 m de altura e, geralmente, são utilizadas em grandes plantas industrias, quando uma alta vazão de água é requerida, normalmente uma vazão maior do que 760000 L/min. Este tipo de torre é geralmente utilizado por estações de energia nos Estados Unidos da América. Jáas torres de resfriamento que utilizam a convecção forçada são bem mais comuns. Estas utilizam grandes ventiladores no seu topo com o intuito forçar a entrada do ar. Na torre o ar poderá correr tanto na direção vertical ao solo e no sentido ascendente, caracterizando um fluxo em contra corrente, quanto na direção horizontal ao solo, caracterizando um fluxo em corrente cruzada. Conforme ilustradona figura 1:

Figura 1. Esboço a esquerda, mostra o fluxo em contra corrente, já o da direita em corrente cruzada.
Nas torres de resfriamento a transferência de calor acontece da água para o ar insaturado. Existem duas forças motrizes responsáveis pela transferência de calor: a diferença na temperatura do ar seco e a diferença nas pressões de vapor entre a superfície da águae do ar.
A otimização das condições de operação para uma torre de resfriamento é de fundamental importância para a redução no consumo de energia em uma planta industrial. Uma vez que uma considerável potência no ventilador deverá ser requerida para o bom funcionamento da mesma. Ainda que haja consideráveis gastos de energia presentes nas torres de resfriamento, ela ainda é a melhor opção parao resfriamento da água em um processo industrial.

2) Modelagem dos Fenômenos Físicos de uma Torre de Resfriamento:
Conforme dito na seção anterior, ocorrem dois fenômenos de transporte de elevada importância no interior de uma torre de resfriamento, mas dentre estes dois fenômenos, somente o de transferência de calor será abordada nesta seção.

2.1) Transferência de Calor Sensível eLatente do Ar para a Água:
Quando um fluxo de ar passa sobre uma superfície molhada, haverá provavelmente uma transferência de calor sensível e latente, uma vez que haja diferença de temperatura entre a água e o ar. Se houver uma diferença de pressão parcial entre ambos, então haverá o fenômeno de transferência de massa (água). Porém esta transferência de massa irá promover também uma transferênciade energia térmica, pois se o vapor condensa do ar, calor latente irá para a camada aquosa. Obviamente, o contrário também poderá ocorrer, se houver água evaporando da camada aquosa, haverá uma transferência de calor, advinda da transferência de massa da camada aquosa para o ar.
A taxa de transferência de calor sensível da superfície da água para o ar pode ser descrita pela seguinte equação:...
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