O que são torres de resfriamento de corrente natural?
Torres de resfriamento de corrente natural (ou torres de resfriamento por convecção natural) utilizam o princípio do fluxo convectivo para promover a circulação de ar. Essas torres são geralmente muito altas para garantir um fluxo de ar adequado, são também caras de construir e são usadas apenas em aplicações que exigem um grande e constante requisito de resfriamento ao longo de muitos anos; uma usina termoelétrica é um exemplo de aplicação.
Torres de Resfriamento de Corrente Natural
Como funciona uma Torre de Resfriamento de Corrente Natural
O vídeo abaixo é um extrato do nosso Curso Online de Introdução às Torres de Resfriamento.
Água de resfriamento fria é bombeada da bacia da torre de resfriamento para a usina. A água é aquecida pelo processo e sua temperatura aumenta. A água de resfriamento quente é então bombeada de volta para a torre de resfriamento para ser resfriada.
Sistema de Água da Torre de Resfriamento de Corrente Natural
A água quente que entra é distribuída através de bicos de pulverização dentro da torre. Os bicos de pulverização espalham a água quente uniformemente sobre o enchimento. A água desce através do enchimento enquanto o ar sobe.
Componentes da Torre de Resfriamento de Corrente Natural
À medida que a água desce através do enchimento, parte dela evapora, resfriando a água restante (resfriamento evaporativo).
Seção Transversal da Torre de Resfriamento de Corrente Natural
À medida que o ar viaja através do enchimento, sua temperatura aumenta e ele sobe para o topo da torre de resfriamento devido ao efeito chaminé (o ar quente é menos denso que o ar frio e, portanto, sobe acima dele). O ar que sai do topo da torre atrai mais ar na base da torre, criando um fluxo de ar natural da base para o topo da torre; este é o efeito chaminé e é contínuo, desde que a água de resfriamento seja constantemente circulada.
Fluxo de Ar e Água
Fluxo Contracorrente e Cruzado
As torres de resfriamento de corrente natural podem ser do tipo contracorrente ou fluxo cruzado. As torres de resfriamento de fluxo cruzado têm uma base muito mais larga do que as torres de resfriamento de contracorrente.
Torre de Resfriamento de Corrente Natural Contracorrente
Torre de Resfriamento de Corrente Natural de Fluxo Cruzado
Vantagens e Desvantagens
Vantagens
- Baixos custos de manutenção.
- Baixos custos operacionais.
- Baixas perdas do sistema (tipicamente menos de 1% do fluxo total).
- Baixo nível de ruído, pois não há uso de ventiladores.
- Grande capacidade de resfriamento.
Desvantagens
- Grande investimento inicial de capital.
- Às vezes é difícil obter permissão de planejamento devido à grande estrutura e ao impacto estético na área local.
Inverno
As torres de resfriamento de corrente natural podem operar em ambientes abaixo de zero, o que pode levar ao congelamento da água do reservatório. Existem vários métodos empregados para evitar que isso ocorra.
- Drenar a torre de água de resfriamento. Uma maneira simples e eficaz de eliminar a possibilidade de danos devido ao congelamento da água, mas torna a usina inoperante.
- Circular a água de resfriamento para manter uma temperatura acima de zero na bacia da torre de resfriamento. Este método é usado pela maioria das plantas, pois é econômico e relativamente fácil de implementar.
- Adicionar anticongelante à água da torre de resfriamento. Isso evitaria o congelamento da água, mas não é uma solução financeiramente viável devido ao grande volume de água no sistema.
- Aquecer a bacia da torre de resfriamento. Esta opção geralmente não é economicamente viável.
Por que as torres de resfriamento de corrente natural têm uma forma tão estranha?
As torres de resfriamento de corrente natural têm uma forma muito única por várias razões. A primeira razão é que a forma reduz a quantidade de material de construção necessário ao construir uma torre tão grande. A segunda razão é que a forma paraboloide da torre acelera o fluxo de ar através da torre, o que aumenta a capacidade de resfriamento da torre. As torres de resfriamento de corrente natural são às vezes chamadas de torres hiperbólicas, embora o termo correto seja hiperboloide.
O que é o efeito chaminé?
Quando o ar é aquecido, ele se torna menos denso. Como o ar quente é menos denso que o ar frio, ele subirá acima do ar frio devido à diferença de densidade. Este processo de separação do ar quente e frio com base nas densidades é conhecido como efeito chaminé ou efeito de chaminé.
Por exemplo, um balão de ar quente voa no ar devido ao ar quente contido dentro do balão. O ar quente é menos denso que o ar ambiente ao redor, razão pela qual o ar quente sobe, puxando o balão com ele.
Balão de Ar Quente
Componentes do Modelo 3D
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma típica torre de resfriamento hiperboloide de corrente induzida, incluindo:
- Enchimento (Troca de Calor)
- Bicos de Pulverização
- Tubulação
- Bacia/Reservatório
- Eliminador de Deriva
- Ventilador
- Estrutura da Torre (Torre Hiperboloide)
Este é um modelo 3D de uma Torre de Resfriamento de Corrente Natural.
Anotações do Modelo 3D
Componentes da Torre de Resfriamento de Corrente Natural
As torres de resfriamento de corrente natural (torres de resfriamento por convecção natural) utilizam o princípio do fluxo convectivo para proporcionar circulação de ar. Elas são altas para induzir um fluxo de ar adequado. Elas também são caras de construir e são usadas apenas em aplicações onde é necessário um grande requisito de resfriamento constante ao longo de muitos anos; uma usina termoelétrica é um exemplo de aplicação.
Bacia Coletora (reservatório)
A bacia coletora é um receptáculo sob a torre de resfriamento para coletar a água resfriada pela torre de resfriamento; geralmente é construída de concreto. A água de resfriamento 'fria' é bombeada da bacia da torre de resfriamento para o processo, por exemplo, usina.
Sistema de Distribuição
A parte de uma torre de resfriamento que distribui água sobre a área de enchimento geralmente consiste em entradas flangeadas, válvulas de controle de fluxo, ramificações de pulverização, orifícios de medição, bicos de pulverização e outros componentes relacionados. O objetivo do sistema de distribuição é garantir que a água seja distribuída uniformemente para todos os bicos de pulverização.
Sump
O sump (baía de sucção da bomba) é uma parte rebaixada da bacia coletora de onde a água 'fria' é retirada para a bomba centrífuga(s), e então descarregada para o processo, por exemplo, usina. O sump geralmente contém filtros, dispositivos anti-vórtice e uma conexão de drenagem ou limpeza.
Enchimento
O enchimento é essencialmente um trocador de calor que maximiza a área de contato entre a água de resfriamento e o ar. O ar passa para cima através do enchimento enquanto a água cai para baixo devido à gravidade. À medida que o ar passa sobre a água, parte da água evapora, e a água restante é resfriada (resfriamento evaporativo). As torres de resfriamento usam dois principais designs de enchimento, os designs 'enchimento de filme' e 'enchimento de respingo'. O enchimento de filme é mais eficiente, mas mais caro e mais propenso a entupimentos.
Eliminadores de Deriva
'Deriva' é o nome dado às moléculas de água que são perdidas do sistema de água de resfriamento devido à evaporação. Uma grande pluma de umidade branca pode frequentemente ser vista subindo das torres de resfriamento de corrente natural, isso é 'deriva', e representa uma perda financeira (a água perdida deve ser reposta). Os eliminadores de deriva reduzem as perdas de água e, consequentemente, reduzem os custos operacionais.
Os eliminadores de deriva consistem em lâminas paralelas dispostas no lado de descarga de ar da torre para remover gotículas de água arrastadas do fluxo de ar de saída. A forma do eliminador de deriva exige que as gotículas de água arrastadas mudem de direção várias vezes (caminho de fluxo tortuoso) antes de serem descarregadas da torre. O ar tem pouca dificuldade em mudar de direção e passar pelo eliminador de deriva, mas as gotículas de água se chocam contra o eliminador de deriva, condensam e depois pingam de volta sobre o enchimento, retornando à bacia da torre de resfriamento.
Torre Hiperboloide
Existem duas principais razões pelas quais as torres de resfriamento de corrente natural têm uma forma tão única. A primeira razão é que a forma reduz a quantidade de material de construção necessário ao construir uma torre tão grande. A segunda razão é que a forma hiperboloide da torre acelera o fluxo de ar através da torre, o que aumenta a capacidade de resfriamento da torre. O ar 'frio' entra na base da torre, é puxado para cima através do enchimento, é aquecido e depois sai pelo topo da torre. É a diferença de temperatura do ar - e consequentemente a densidade do ar - que causa o fluxo de ar convectivo através da torre (o ar mais quente é menos denso e sobe através da torre, o que leva o ar ambiente mais frio a ser puxado pela base da torre). O processo de ar quente (menos denso) subindo acima do ar mais frio (mais denso) é referido como 'efeito chaminé' ou 'efeito de chaminé'.
Bicos de Pulverização
O objetivo dos bicos de pulverização é espalhar a água uniformemente sobre o enchimento e, assim, maximizar a área de contato entre a água e o ar. Uma grande área de contato é desejada porque proporciona uma capacidade de transferência de calor muito maior. Todos os trocadores de calor dependem de uma grande área de contato entre os meios em fluxo, pois isso garante um alto contato térmico entre eles.
Saída de Água de Resfriamento
A água de resfriamento é retirada do reservatório e enviada para o(s) condensador(es) da turbina a vapor através desta conexão.
Entrada de Água de Resfriamento
A água de resfriamento retornada do(s) condensador(es) entra através desta conexão.
Ar Aquecido
À medida que o ar passa através do enchimento, sua temperatura aumenta e ele sobe pela torre.
Entrada de Ar
O ar ambiente é puxado para dentro da torre através da base da torre.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-draft-cooling-tower