• 11 dez, 2024
• Annemos
• Torre de Resfriamento

Eficiência Energética em Torres de Resfriamento de Água Circuito Aberto e Fechado

As ameaças ao meio ambiente são preocupantes e têm sido amplamente debatidas. Cabe a comunidade técnica buscar soluções equilibradas e viáveis, que permitam uma efetiva redução de consumo elétrico e menor agressão ao meio ambiente.

A redução de consumo elétrico deve ser planejada em todas as instalações, sejam comerciais, industriais ou residenciais. A responsabilidade ambiental deve ser perseguida pela mudança cultural de toda a sociedade e perpetuada pelas futuras gerações sob pena de, em poucos séculos, termos um planeta impróprio para vida.

Com referência à rejeição de calor, em máquinas industriais e sistemas de climatização, o resfriamento de água utilizando Torres de Resfriamento é o meio mais eficaz de trocar calor e, consequentemente, de menor consumo elétrico. A vazão de ar em uma Torre de Resfriamento é, aproximadamente, três vezes menor que a necessária para resfriamento a ar com circuito fechado (não evaporativo).

Por tal motivo, ressaltamos a importância das Torres de Resfriamento na obtenção de eficiência energética nas instalações. A água é um recurso natural de vital importância, por tal motivo, o seu uso deve ser cada vez mais responsável.

O ar que circula pela Torre de Resfriamento é “lavado” e devolvido à atmosfera saturado de vapor limpo e desmineralizado. Sob esse aspecto, podemos afirmar que as Torres de Resfriamento são agentes de purificação da água e do ar atmosférico.

A captação de águas de chuva e/ou de reuso (águas cinza) deve ser considerada para minimizar o consumo de água potável.

Em instalações onde ainda não é possível utilizar os recursos de reciclagem de água, o custo do consumo na Torre pode ser compensado por meio de desconto da taxa de esgoto (a Sabesp, por sua Norma 43, concede descontos na taxa de esgoto, com o abatimento do volume de água consumido na evaporação em Torres de resfriamento e piscinas). Acredito que as demais companhias de água e saneamento, em breve, seguirão o mesmo caminho.

Aspectos Termodinâmicos em sistemas de resfriamento por Torre:

O consumo de energia elétrica nos ventiladores das Torres pode ser reduzido, significativamente, valendo-se das variações climáticas e de carga térmica. Manter a capacidade da Torre constante, não significa que se tenha que manter o approach constante e/ou o range constante. Com a redução das temperaturas de bulbo seco e úmido, a temperatura de saída dos condensadores invariavelmente já tem redução, portanto, uma condição de temperatura de saída mais favorável.

A remoção de calor da água depende das entalpias de entrada e de saída do ar na Torre. A retirada de calor da água em uma Torre acontece com os percentuais próximos a 80% por calor latente e 20% por calor sensível, porém, os percentuais variam quando a Temperatura de Bulbo Seco (TBS) reduz.

Quando acontece redução da TBS, ocorre uma redução da evaporação, redução do ∆x do ar e menor consumo de água, como podemos analisar no comparativo abaixo;

Exemplo 1:

Potência de dissipação de calor = 449.045 kcal/h

TBS = 34°C

TBU = 26°C

Tea=35°C

Tsa= 29,5°C

Entalpia de entrada = 19,22 kcal/kg

Entalpia de saída = 28,62 kcal/kg

∆H= 9,4 kcal/kg

Umidade de entrada= 18,05 g/kg

Saída = 33,42 g/kg

∆x = 15,37 g/kg

Massa específica do ar na saída = 1,091 kg/m3

Calor total removido = 1,091 kg/m3 x ∆H = 10,2554 kcal/m³

Consumo de água por evaporação: 1,091 kg/m3 x Δx = 16,76 g/m3

Calor latente removido = 0,597 kcal/g x 16,76 g/m3 = 10,01 kcal/m3

% de Calor latente = 97,6%

Exemplo 2:

Potência de dissipação de calor= 450.119 kcal/h

TBS = 15°C

TBU = 10°C

Tea = 25,5°C

Tsa = 20°C

Entalpia de entrada = 6,98 kcal/kg

Saída = 15,63 kcal/kg

∆H= 8,65 kcal/kg

Umidade de entrada= 5,6 g/kg

Saída = 16,71 g/kg

∆x = 11,11 g/kg

Massa específica do ar na saída = 1,182 kg/m3

Calor total removido = 1,182 kg/m3 x ∆H = 10,2243 kcal/m³

Consumo de água por evaporação: 1,182 kg/m3 x Δx = 13,13 g/m3

Calor latente removido = 0,597 kcal/g x 13,13 g/m3 = 7,839 kcal/m3

% de Calor latente = 76,67%

Nota-se uma diferença muito pequena no ∆H x massa específica do ar seco, comparativamente aos dois exemplos, mantendo as potências praticamente iguais. Já a diferença de umidade específica mostra que, com ambiente mais frio, o consumo de água diminui e o calor retirado na forma latente também.

Como podemos observar, a economia de energia em Torres de Resfriamento de Água depende das condições climáticas, das variações da Temperatura de Bulbo Úmido (TBU) em particular.

A redução da TBU torna possível reduzir a vazão dos ventiladores, o que também reduz, significativamente, o consumo elétrico nos mesmos. Como sabemos, a potência para movimentar um fluído varia com o cubo da velocidade ou o cubo da vazão (1ª Lei dos Ventiladores), logo, a redução de rotação em um ventilador, quando possível, é altamente vantajosa quando o objetivo é a redução de consumo elétrico.

A utilização de inversores de freqüência, em ventiladores de Torres de Resfriamento, não é novidade (muitas Torres da base instalada já contemplam esse acessório), porém, não se quantifica o consumo de energia que o sistema está proporcionando.

Em um experimento prático, em uma torre ANNEMOS instalada na fábrica de transformadores da WEG em Blumenau/SC, onde os técnicos da WEG obtiveram dados surpreendentes de consumo elétrico, em um comparativo entre os motores standard originalmente instalados, e motores de altíssimo rendimento acionados por inversor de freqüência.

No teste realizado, por um período de mais de um ano, foi possível analisar o consumo elétrico em diversas condições climáticas. As variações de temperaturas foram reconhecidas pelo sensor de temperatura, imerso na bacia da Torre, enviando sinal ao inversor de frequência, que comandou a velocidade do motor do ventilador da Torre.

Para confirmação dos dados obtidos, nos coube analisar os aspectos teóricos relativos ao desempenho dos ventiladores em operação na Torre, considerando-se as perdas de carga fixas e variáveis, que pudessem alterar a “lei do cubo”.

As venezianas de entrada de ar, enchimento, eliminadores de gotas e as partes internas estruturais são elementos fixos, mas, também, considerou-se fixa a vazão de água e a diferença de temperatura (Range).

A água em aspersão apresentou uma resistência ao fluxo do ar mais complexa. As gotas em queda no fluxo de ar recebem um empuxo para cima, proporcional ao quadrado da velocidade relativa (velocidade de queda da água menos a velocidade do ar ascendente). Quando a velocidade relativa aumenta, com a redução do fluxo de ar, aumenta o número de Reynolds e o coeficiente de empuxo diminui, assim como também a perda de carga. Esse empuxo menor aumenta a velocidade efetiva de queda da água e reduz o tempo das gotas em suspensão. A superfície de interface tende a diminuir e o desempenho da Torre também, o que exige mais vazão dos ventiladores para manter a performance constante.

Em face disso, o software de seleção da Torre teve que ser incrementado para fazer essa convergência automática. Procurou-se verificar se a perda de carga variável sofreriam modificações importantes com a vazão de ar, e se essa modificação seria significativa diante das outras resistências da Torre. Mas, isso não se comprovou.

Os resultados obtidos serviram de base para o algoritmo de um software dedicado, onde foram considerados os valores de rendimento dos motores e inversores WEG, suas potências, polaridades, perdas e curvas climatológicas de variação da TBU em diferentes cidades no Brasil.

O software possibilita o cálculo de consumo elétrico em ventiladores de qualquer Torre de Resfriamento com ventilação mecânica e uma estimativa conservadora de retorno do investimento, bastando informar o valor do kWh da cidade da instalação.

A eficiência energética é representada por um conjunto de sistemas e ações que proporcionem as condições de uso da energia da forma mais inteligente e economicamente possível. A energia deve estar disponível sempre que for necessário utilizá-la e, para isso, é preciso que os equipamentos e componentes de uma instalação ofereçam condições para tal.

Hoje, vemos muitas iniciativas para se obter menor consumo de energia. O esforço dos projetistas e fabricantes tem sido constante neste sentido, mas cabe também aos usuários acreditarem, investindo em equipamentos e instalações sustentáveis, o que acredito ser cada vez mais um caminho sem volta.

Esp.Bolivar Fagundes

Diretor Técnico da Annemos, fabricante de Torres de Resfriamento.

bolivar@annemos.com.br