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torre de resfriamento, componente, principio de funcionamento, classificação, utilzação na industria
Tipologia: Trabalhos
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Pelo fato do limite teórico de resfriamento ser a temperatura do bulbo seco, estes resfriadores não conseguem resfriar a água a temperaturas muito baixas. Seus custos de investimento operacional são relativamente altos. Um dos resfriadores deste tipo mais conhecidos são os radiadores dos automóveis.(fig 05)
Composta basicamente por uma canalização provida de bicos pulverizadores e um invólucro dotado de venezianas que orientam e auxiliam a passagem do ar. O movimento do ar depende das condições atmosféricas (vento) e do efeito de aspiração dos bicos borrifadores (fig 06).
Quando o ventilador é instalado na saída doar, a Torre é chamada de Torre de Tiragem Induzida.(fig 09).
Podemos afirmar que o tipo mais utilizado nos diversos processos industriais existentes é o de Tiragem Mecânica. Dentro dessa categoria há ainda duas concepções de projeto:
ar usado para o resfriamento caminha no sentido oposto. (fig 10).
ar usado para o resfriamento caminha na horizontal. (fig 11).
O projeto de Torre de Resfriamento de Água exige o conhecimento de vários princípios básicos de engenharia. Requer inclusive a aplicação prática destes princípios, utilizando os melhores materiais e técnicas existentes, a fim de obter os resultados desejados. Para isto, os componentes básicos consistindo de estrutura, enchimento, sistema de distribuição de água, venezianas, eliminadores de gotas, fechamento, plataformas e cilindro (ou difusor) do ventilador, precisam ser projetados para formarem uma unidade integral. O material estrutural, aplicado com as respectivas conexões, deve ser capaz de resistir á severas condições de operação. Na maioria dos casos, os componentes acima mencionados são pré- fabricados para simplificar os serviços de montagem.
A estrutura da Torre de Resfriamento de Água deve ser capaz de suportar, não somente o peso dos componentes básicos, como equipamento mecânico, enchimento, venezianas e fechamento, como também o peso de água de circulação, cargas de vento e eventualmente cargas sísmicas. Além destas características, deverá ser projetada para longa vida útil em uma atmosfera operacional bastante severa.
A configuração da torre deverá atender as necessidades do fluxo de água e de ar. É particularmente importante restringir-se ao máximo os obstáculos à corrente de ar. O projeto também deverá ser compatível com a fabricação de peças pré- fabricadas, permitindo uma montagem simples e de baixo custo.
A função do enchimento de uma torre de resfriamento de água é acelerar a dissipação de calor na torre, aumentando o tempo de contato entre a água e o ar. Esta função se realiza devido o aumento da área molhada à exposição contínua da superfície da água ao ar e à formação de gotas e filmes na torre.
O enchimento de uma torre deve ser de baixo custo e de fácil instalação, devendo ainda promover uma quantidade adequada de transferência de calor, apresentar baixa resistência ao fluxo do ar e manter uma distribuição uniforme da água e do ar durante a sua operação. Os enchimentos de torre são classificados em dois tipos, a saber: o tipo respingo e o tipo filme. O enchimento do tipo respingo é usado quase que exclusivamente em torre industrial. O enchimento do tipo filme é mais indicado para unidades compactas ou pequenas torres comerciais.
O enchimento tipo respingo consiste em vários diferentes arranjos, dependendo do projeto da torre e do fabricante. No entanto, a sua finalidade em qualquer instalação é misturar a água com ar movendo-se na direção horizontal (corrente cruzada), ou vertical (contra-corrente). A máxima exposição da superfície da água ao fluxo de ar é, portanto, obtida pela repetição da interrupção da queda da água, respingando-se sobre tábuas de respingo individuais. É muito importante que o enchimento do tipo respingo seja suportado adequadamente, pois as tábuas de respingo devem estar na posição horizontal, caso contrário à água e o ar serão canalizados através do enchimento da torre e sua capacidade diminuirá sensivelmente.
A principal função do fechamento é manter a água dentro dos limites da unidade e evitar que o ar passe por outros caminhos que os previstos. O fechamento contribui, inclusive, enormemente para a aparência da torre. Em geral, o fechamento não é considerado no projeto, com função estrutural em torres industriais. Ao contrário, em torres compactas, geralmente o fechamento faz parte do projeto estrutural. Como material de fechamento usa-se chapas de fibra cimento, plástico reforçado com fibra de vidro, chapas de aço galvanizado e outros.
A função do eliminador de gotas é reter a água carregada pelo ar aspirado pelo ventilador. O funcionamento do eliminador baseia-se em uma mudança da direção do fluxo de ar. A força centrifuga resultante, separa as gotículas de água do ar, depositando-as na superfície do eliminador. Está água acumulada escorre de volta à bacia de coleta de água fria. Uma função secundária do eliminador é a uniformização do fluxo de ar através do enchimento da torre. A resistência que o eliminador produz à passagem do ar ocasiona uma pressão uniforme no espaço entre o eliminador e o ventilador. Esta uniformização da pressão produz um fluxo de ar igualmente uniforme através do enchimento da torre. Usualmente, perdas por arraste é mais um incomodo do que um sério problema operacional. Esta perda na realidade diminui a sangria necessária pela mesma quantidade, que raramente excede a 0,2% da totalidade da água em circulação em torres de resfriamento de água de tiragem induzida. Em gotículas de água arrastadas, em raras condições, causaram sérios problemas em sistema de distribuição de eletricidade, tendo sido inclusive responsável por falhas de equipamentos. Deve ser evitada, na medida do possível, a localização de torres adjacentes, e particularmente, na direção do vento, à linha de força e subestações. Os eliminadores são normalmente classificados como de passo simples, de dois ou três passos, dependendo do número de mudanças de direção do fluxo de ar que ele ocasiona. Geralmente, quanto maior o número de passos, tanto maior será a perda de pressão, e maior sua eficiência. Antigamente a maioria dos eliminadores consistia de tábuas colocadas em quadros com a configuração desejada, atualmente usa-se eliminador fabricado com material plástico com diversas configurações, para produzir o efeito desejado. A configuração aerodinâmica das passagens na colméia, combinado com a grande área de superfície, resulta em um eliminador com a mínima perda de pressão, e com alta eficiência. O projeto de eliminadores varia com os requisitos da instalação e de acordo com os diferentes fabricantes. No entanto, independente do projeto e dos requisitos da aplicação, um eliminador bem projetado deve diminuir a perda por arraste a um nível aceitável, sem aumentar a perda de pressão significativamente, o que se refletiria em um aumento do consumo dos ventiladores. Inclusive, deve ter a habilidade de reter a água e retorná-la ao interior da torre sem reintroduzí-la no ar de descarga. Em torres maiores a direção de descarga dos eliminadores pode afetar o consumo do ventilador. Consideráveis estudos e testes são necessários para se conseguir uma unidade eficiente, sem criar efeitos secundários nocivos. Os eliminadores são instalados em atmosferas corrosivas e erosivas, e devem resistir a estas condições. Os materiais usados para esta aplicação incluem madeiras, aço galvanizados, alumínio, plásticos, cimento amianto etc.
Os ventiladores das torres de resfriamento necessitam movimentar grandes volumes de ar, de modo econômico; seu funcionamento deve ser isento de vibrações e pulsações, as quais podem danificar os demais componentes mecânicos e toda a estrutura da torre. Em torres usa-se dois tipos de ventiladores: o axial e o centrifugo. Sendo o axial o tipo de ventilador que se usa na grande maioria das torres, abaixo continuaremos a descrever somente este tipo. Os axiais possuem a propriedade de movimentar grandes volumes de ar com baixas pressões estáticas (20 mmCA). Os axiais são de custo relativamente baixo, podendo ser usados em torres de qualquer tamanho, bem como, em torres onde deve ser assegurada uma baixa perda de água por arraste, Normalmente, os ventiladores axiais operam com eficiência de 80 %. Como condições de projeto, temos que para um mesmo fluxo de ar e mesma velocidade periférica, um ventilador com poucas pás requer pás mais largas do que um ventilador com maior número de pás, resultando maior peso da pá, o que produzirá uma maior pulsação com proporcional aumento de vibrações no cilindro e na torre. Isso, sem dúvida, reduz o tempo de vida útil da torre. Seis pás são normalmente consideradas, o mínimo necessário para ventiladores de tamanho médio, sendo oito pás o mínimo para os de grande diâmetro, Doze pás são praticamente o máximo. Os diâmetros dos ventiladores são determinados pela vazão de ar. A velocidade do ar passando pelo ventilador varia entre 7 a 15 m/seg, considerando-se como normal 10 m/seg. Para uso em indústria onde o ruído não é fator importante, as velocidades periféricas podem ir até 75 m/seg. Em ventiladores com diâmetro acima de 3 metros, podem raramente ultrapassar os 60 m/seg. Para grandes diâmetros, um projeto apropriado deve proporcionar uma distribuição de velocidade uniforme do ar, desde o cubo até a ponta da pá. Ligas fundidas de alumínio dão excelentes materiais para produção deste tipo de pá. Pás de alumínio fundidas são relativamente de baixo custo e possuem alta resistência à corrosão. Pás fundidas podem ser também fabricadas em latão, aço inox, aço galvanizado. Entretanto, seu uso é limitado por causa do seu alto custo. Hoje as maiorias destas pás são confeccionadas em PRFV, por se tratar de um material com boa resistência mecânica, baixo peso e facilidade de fabricação.
O principal requisito para os redutores de velocidade das torres de resfriamento de água é sua longa duração, bem como sua mínima manutenção. Para atender a estas exigências, o redutor deverá ser solidamente construído para resistir ao serviço continuo e severo ambiente em que deverá trabalhar. Algumas firmas construtoras de torres de resfriamento projetam e constroem redutores especificamente para tal serviço. Podem também ser adquiridos de firmas especializadas que com algumas modificações nos seus modelos standard, poderão servir para uso nas torres.
Os redutores de velocidade são usados em muitos projetos. As engrenagens podem ser de vários tipos: coroa de dentes retos, helicoidais, rosca sem fim ou coaxiais. Dependendo do tamanho e da redução requerida, um redutor pode usar um tipo simples ou dupla redução. Geralmente as unidades de dupla redução, são aconselhadas para ventiladores com mais de 6 metros de diâmetro. Como os ventiladores trabalham em ambiente quente e úmido devem possuir um bom sistema de vedação impedindo a entrada de água e em baixo devem possuir bolsas de condensado a fim de evitar emulsão do óleo dentro do redutor. A vida útil de um redutor está diretamente ligada à durabilidade da superfície dos dentes de uma engrenagem. A AGMA ( Americam Gear Manufacturers Association) através de uma parte relativa a fabricantes de redutores de velocidade para torres de resfriamento tem estabelecido fatores de serviço para está aplicação. Este fator é a razão entre o HP calculado e HP aplicado. Isto varia com o tipo de acionamento e o tipo de acionamento e o serviço - intermitente ou continuo. O fator de serviço de 2.0 para redutores com coroa de dentes retos para serviço continuo são bastante usados. A vida de um redutor depende também da vida útil do mancai usado. Os mancais são geralmente selecionados para uma vida compatível com o tipo de serviço. Mancais para redutores, considerando como serviço continuo, são selecionados pela qualidade, tendo como base 100.000 horas B-10. B-10 é definida como vida operacional em horas durante a qual 90% ou mais de um grupo de mancais sob condições especifica. Outro aspecto importante é a lubrificação do redutor para se conseguir longa vida de duração. Os sistemas de lubrificação mais usados são: por meio de respingos e meio de anéis rotativos ( slinger).
A função do eixo de transmissão é transmitir força do motor para o redutor. O eixo suporta severas condições de vapor de água, portanto ele deverá ser apropriadamente contraído. É uma peça de velocidade, portanto no seu projeto deve ser previsto um balanceamento fácil. Como a torre é estruturalmente rígida, o eixo deve ter a possibilidade de operar com certo limite de desalinhamento.
3.1 Noções É essencial termos em mente as limitações de uma torre A mínima temperatura de água resfriada que podemos conseguir com o equipamento é função direta das condições climáticas / ambientes. A mais importante variável é a temperatura do bulbo úmido, pois esta influi diretamente no tamanho da torre a ser selecionada. A temperatura do bulbo úmido nos dá grosso modo, uma idéia de quanto calor o ar pode retirar de uma certa massa de água a ele exposta. Imaginemos um termômetro convencional de mercúrio com seu bulbo envolto por algodão embebido em água. Se fizermos o ar passar Através desse bulbo, notaremos um abaixamento da temperatura marcada, pois há uma perda de energia no bulbo, equivalente ao calor latente de evaporação de uma parcela da água que envolve o bulbo do termômetro. Se a umidade relativa ambiente é de 100%, a temperatura do bulbo úmido é igual à temperatura do bulbo seco (ambiente), pois neste caso não há evaporação de água. Para umidades relativas mais baixas temos conseqüentemente bulbos úmidos mais baixos. Por esse motivo é que conseguimos águas resfriadas abaixo das temperaturas ambientes. O limite teórico de temperatura de água fria é a temperatura do bulbo úmido, porém na prática, recomenda-se uma folga de 3ºC, ou seja, se uma determinada região à temperatura de bulbo úmido é de 23ºC, a mínima temperatura de água fria deverá situar-se em torno de 26ºC.
A temperatura de bulbo úmido afeta diretamente o tamanho da torre a ser selecionada. Esta deve ser escolhida de acordo com sua incidência na localidade da instalação durante os meses de verão. Observações de inúmeras torres em funcionamento tem revelado satisfatório o desempenho nas maiorias das aplicações em torres selecionadas com temperaturas de projeto de bulbo úmido, tais que somente são ultrapassadas durante 5% das horas dos quatro meses mais quentes do ano. Estas horas em que o bulbo úmido é ultrapassado, não necessariamente são consecutivas, e poderão ocorrer em vários períodos de curta duração. O efeito prejudicial dos picos de altas temperaturas de bulbo úmido pode ser amortecido por um maior montante de água no sistema. Na figura 13 vê-se uma curva típica de variação de temperatura de bulbo úmido.(fig 13).
Na figura 14 vê-se uma curva típica de variação anual de temperatura de bulbo úmido.(fig 14).
Na figura 15 vê-se uma curva típica de duração em horas, na qual a temperatura de bulbo úmido (TBU) ambiente é menor que determinada TBU durante o decorrer do ano.(fig 15).
Para fixar bem a relação entre o tamanho da torre e sua temperatura de bulbo úmido, devemos definir o conceito de “approach”, ou seja, a aproximação da temperatura de água fria até a temperatura de bulbo úmido.(fig 16).
Dado a grande falta de dados estatísticos no Brasil, as temperaturas de bulbo úmido necessárias para a seleção de uma torre, muitas vezes têm de ser assumidas baseando-se em levantamentos meteorológicos existentes para localidades vizinhas.
As torres selecionadas para efetuar um determinado serviço térmico dentro se especificações idênticas poderão ser de vários tamanhos e apresentarem consumos diferentes, dependendo de um grande número de variáveis, por exemplo: 1- Aumentando-se o volume de resfriamento e mantendo-se o mesmo tipo de enchimento, aumenta-se a dimensão externa da torre. Com isto, necessita-se uma menor vazão de ar, resultando, portanto, em menor consumo do ventilador; 2- Mantendo-se a mesma área molhada do enchimento e alterando-se o tipo de enchimento, as dimensões de torre podem diminuir ou aumentar. Caso as dimensões aumentem, isto significa que o enchimento é mais aberto á passagem doar, resistência á passagem do ar menor, diminui o consumo do ventilador. 3- Aumentando-se a vazão de ar, pode-se diminuir o volume de resfriamento da torre. Neste caso, normalmente, o consumo do ventilador aumentará.
Em torres de porte, no passado era comumente usual a madeira, hoje se utiliza o concreto e umas algumas vezes torres com estrutura metálicas com fechamento em PRFV. Vamos abordar as torres em concreto e as com estrutura em aço carbono com fechamento em PRFV.
Analisando as condições de uso de uma torre de resfriamento, notamos que a mesma está sujeita a vários agentes agressores, tais como:
Este é constituído por telas de sustentação e das ripas que podem ser de madeira ou perfis plásticos. A montagem deve seguir os seguintes passos:
O mesmo deverá ser montado conforme indicado pelo fabricante da torre uma vez que cada fabricante tem o seu próprio modelo.
e entre eles o eixo de acionamento, após isto o eixo deverá ser alinhado seguindo as orientações do fabricante. Em seguida colocar o ventilador montá-lo verificar o angulo das pás, colocá-lo em funcionamento por algum tempo a fim de verificar se o mesmo está com um nível de vibração aceitável.
Demonstraremos a seguir aos tópicos a serem considerados para uma perfeita montagem. As torres, quando fornecidas com bacia de água fria, (pos. 1), deverão estar sobre uma base perfeitamente nivelada. Quando a bacia for bipartida deverá ser parafusada entre si por intermédio dos parafusos Bi-cromatizados. Depois de parafusada, laminar com PRFV. Fixar os painéis (pos 2 ) na bacia de água fria e entre si, utilizando parafusos bi-cromatizados. Montar os suportes do enchimento (pos 4 em cima das entradas de ar, tomando o cuidado no espaçamento entre eles, pois o enchimento será apoiado neste suporte).
Montagem dos blocos do enchimento (pos 5 ) tomando-se o cuidado de que cada camada seja posicionada a 90º em relação a anterior. Colocar o tubo principal ( pos 6) da distribuição de água nos apoios existentes nos painéis. Rosquear os ramais (pos 7) no tubo principal e fixá-lo na outra extremidade pelas abraçadeiras de PRFV existente. Rosquear os bicos pulverizadores ( pos 8) nos ramais, tomando o cuidado para que todos estejam na mesma posição e altura. Fixar os perfis (pos 9), suporte do eliminador de gotas na parte inferior dos ramais. Montar os blocos do eliminador ( pos10) sobre os perfis. É importante que não haja frestas em toda a sua área, para que o eliminador tenha toda a sua eficiência.
Limpeza geral: Proceda a uma limpeza na torra, especialmente no sistema de distribuição de água, na bacia de água fria e nos filtros de sucção das bombas. Circulação de água na torre: Antes de colocar todo o sistema em operação, faça circular água apenas através da torre. Isto permitirá a limpeza do enchimento e remoção dos detritos, Em seguida, drene o sistema e limpe a bacia de água fria.
Proceder a uma inspeção : Verifique o aperto dos parafusos do equipamento mecânico. Verifique o aperto dos parafusos da estrutura Especial atenção:
Encha o tanque e todo o sistema de distribuição de água Abra completamente todas as válvulas de controle de entrada de água. Coloque as bombas em operação e em seguida ajuste as válvulas de controle para equalizar a distribuição de água. Esta operação deve ser executada com o maior rigor, uma vez que a uniformidade na distribuição é de suma importância para a eficiência do sistema. Após isto marque a posição das válvulas para referências futuras. Coloque o ventilador em operação e confira a amperagem do motor. Todas as torres possuem um plug diâmetro 1/2, colocado no sistema de distribuição de água na face oposta à conexão de entrada da água. Para perfeita regulagem da vazão, deve ser instalado neste ponto o manômetro. A pressão requerida na entrada da água e, conseqüentemente, no citado manômetro está indicada na plaqueta da torre. Através da válvula de controle, equaliza a vazão em função da pressão. Nas torres com acionamento por polias e correias, reajustar a tensão das correias antes de 4 horas de funcionamento e a cada mês. Nas com acionamento por redutor, substituir o lubrificante após as primeiras duas semanas de uso. A periodicidade das outras trocas deverá ser conforme o fabricante.
Sempre que a torre deva permanecer fora de operação por mais de uma semana, tome a seguinte precaução:
Um esquema de manutenção planejado racionalmente e executado rigorosamente é sem dúvida responsável não só pela durabilidade e eficiente operação do equipamento, como também pela redução dos custos de manutenção. O planejamento racional e prático de um esquema de manutenção, entretanto, depende das peculiaridades operacionais de cada caso e deve, portanto, receber o estudo do técnico responsável pela operação do equipamento. A titulo de ilustração anexamos a Tabela de Inspeção e Manutenção com os prazos indicados para um caso genérico, bem como o Boletim de Inspeção Diária. A utilização da torre com águas contaminadas com óleos e graxas provoca no enchimento a formação de películas oleosas, prejudiciais ao desempenho da torre, podendo ocorrer até o entupimento do mesmo. Para estes casos, recomendamos que periodicamente se faça circular a água quente através da torre, desligando-se o ventilador e fechando-se a saída de ar do topo da torre com uma placa. O aumento da temperatura no seu interior provocará a dissolução da película oleosa na água, eliminando-se grande parte deste tipo de incrustação do enchimento. A água utilizada nesta operação deve ser substituída para eliminar a sua alta concentração de contaminante.