Há cem anos foram criadas na europa as primeiras torres de resfriamento, em escala industrial e com fundamento científicos.
No interior de uma torre de resfriamento ocorre a transferência do calor entre a água e o ar, envolvendo a transferência de calor latente devido a vaporização de uma pequena porção de água e a transparência de calor sensível devido a diferença de temperatura entre a água e o ar.
Desta transparência de calor aproximadamente 80% são devido ao calor latente e 20% ao calor sensível.
O calor que se pode teoricamente remover por unidade de massa de ar circulando em uma torre de resfriamento, depende da temperatura e do teor de umidade do ar.
Uma indicação de teor de umidade do ar é a sua temperatura de bulbo úmido.
Teoricamente a temperatura de buldo úmido é a temperatura mais baixa a qual se pode resfriar a água, na pratica a temperatura de água fria se aproxima mas não atinge a temperatura de bulbo úmido numa torre de resfriamento, e isto se deve ao fato de ser impossível o contato de toda água com o ar fresco do ambiente, quando a mesma cai pela superfície do enchimento molhado até a bacia de água fria.
São fatores importantes numa torre de resfriamento o tempo de contato entre o ar e a água, a grandeza de superfície e a divisão de água em gotículas.
A teoria mais aceita no processo de transferência de calor entre torre de resfriamento é a desenvolvida pela Merkel. Ela considera como força motriz no processo a diferênça potêncial de entalpia.
Supõe-se que cada gotícula de água esta cercada por uma película de ar na temperatura de água, e a diferênça de entalpia entre a película e o ar ambiente proporciona a força motriz para o processo de resfriamento.
Em sua forma integrada a equação de Merkel é:
- K=coeficiente de transparência de massa (kg/h.m²)
- a=área de contato por unidade de volume (m²/³)
- v=volume ativo de resfriamento (m³/m² de área plana)
- L=taxa de água(kg/h.m²)
- h1=entalpia do ar saturado na temperatura da água (kcal/kg)
- h=entalpia da corrente do ar (kal/kg)
- T¹ E T²=temperatura da água na entrada e saída respectivamente(ºC)
O segundo membro da equação só depende das propriedades do ar e da água e é independente das dimensões da torre.
A figura 5 ilustra as relações entre água e ar e o potêncial motor que existe numa torre de resfriamento em contracorrente, onde o ar escoa na mesma direção, mas em sentido oposto da água.
As coordenadas indicam diretamente a temperatura e a entalpia de qualquer ponto da linha de operação da água, mas indicam apenas a entalpia de operação do ar. A temperatura do bulbo úmido corresponde a qualquer ponto CD e é determinada até o eixo das temperaturas.
A integral da equação anterior é representada pela área ABCD no diagrama. Este valor é conhecido como a característica da torre e varia com a razão L/G (água/ar)
Para um conjunto de condições de projeto ou seja, temperatura de água quente, temperatura de água fria e temperatura de bulbo úmido, pode-se resolver a integral de MERKEL por vários valores de L/G e obter-se a curva característica a do resfriamento.
O CTI (Cooling Tower Institute) publica em seus livros curvas para as mais diversas condições, feitas mediante uso de programas de computador, utilizando o método Tcheby-chelff. Para resolver a equação integral.
Os fabricantes de torres de resfriamento tem a partir de testes realizados com seus enchimentos, as curvas características dos mesmos.
Tendo-se dados de projeto e estabelecido o tipo de enchimento, o ponto de projeto fica determinado.
O enchimento ideal é aquele que proporciona maior transferência de calor e massa com mínima resistência à passagem do ar.
Torres de Resfriamento com Tiragem Mecânica
Ao contrário das torres com tiragem natural, que são utilizadas para grandes capacidades e em clima frio, principalmente na Europa, as torres de resfriamento com tiragem mecânica possuem ventiladores para promover o escoamento do ar e são hoje largamente utilizadas no Brasil.
Estas torres classificam-se quanto ao arranjo construtivo em: tiragem forçada (onde o ar é insuflado na torre).
Classificam-se também, quanto ao movimento relativo ar X água, em: contracorrente (onde o ar flui em sentido contrário à água) e corrente cruzada (onde o ar flui perperdiculamente à água).
O desempenho de um dado tipo de torre de resfriamento é governado pela razão entre as massas de ar e água e pelo tempo de contato entre ambos.
O tempo de contato entre a água e o ar é determinado em grande parte, pelo tempo de queda da água, desde o sistema de distribuição passando pelo enchimento até alcançar a bacia de água fria (tanque inferior de coleta). O tempo de contato é portanto obtido pela variação da altura da torre. Se o tempo de contato é insuficiente, nenhum aumento na razão ar-água produzirá o resfriamento desejado. Logo é necessário manter uma certa altura mínima da torre de resfriamento
O desempenho de resfriamento de qualquer torre que contém uma certa quantidade de enchimento varia com a taxa de água ou comumente chamada densidade de “chuva”. Assim o problema de calcular a dimensão de uma torre de resfriamento reduz-se ao determinar a taxa adequada de água necessária para se obter os resultado desejados. Uma vez estabelecida a taxa de água necessária, área da torre pode ser calculada dividindo-se a água circulada (em m³/h) pela taxa de água (m³/h.m²). As dimensões da torre são função do seguinte.
- Faixa de resfriamento – t (diferença entre as temperaturas da água quente e fria)
- Aproximação (approach) em relação a temperatura de bulbo úmido (diferença entre a temperatura de água fria e a temperatura de bulbo úmido)
- Quantidade de água a ser resfriada
- Temperatura de bulbo úmido
- Quantidade de ar através do enchimento
- Altura da torre
