Desenvolvimento e avaliação do desempenho de um protótipo de torre de resfriamento

Abstract

Torres de resfriamento são equipamentos que objetivam o resfriamento de líquidos, a partir da transferência simultânea de calor e massa, por convecção e evaporação. Na prática, são equipamentos de estrutura relativamente simples, mas com diversas variáveis de processo que, teoricamente, podem ser de difícil compreensão dos discentes. Neste trabalho foi construído um protótipo de torre de resfriamento de tiragem forçada de escala de bancada, para uso didático no IFRS Campus Feliz. O protótipo foi construído a partir de equipamentos já disponíveis no Laboratório de Engenharia Química e possibilita maior compreensão do comportamento de diversos parâmetros desta operação unitária, agregando qualidade à formação dos discentes do curso. Aparatos mais complexos, não disponíveis no laboratório, foram projetados e impressos em uma impressora 3D disponível no Campus Feliz. A construção do protótipo consiste em um tubo de acrílico de 1 m de altura e 40 mm de diâmetro, com entrada de água proveniente de banho termostático e saída de água na base da torre, ambas com auxílio de bombas peristálticas de alimentação e retorno. A entrada de ar ocorre na base da torre com o auxílio de um ventilador centrífugo e a saída de ar no topo. Foram utilizados sensores de temperatura termopar tipo K para a medição de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido. Foram avaliadas as influências da variação da vazão de ar, vazão de água, temperatura de alimentação da água e utilização de recheios sobre o processo de resfriamento da água. Os resultados obtidos foram satisfatórios e condizentes com a teoria. Conforme esperado, a eficiência de resfriamento da torre aumentou com o aumento da vazão do ar e diminuiu com o aumento da vazão da água. Em relação ao recheio, observou-se que a eficiência de resfriamento aumenta drasticamente quando o recheio é empregado. Temperaturas de entrada de água maiores também geraram um resfriamento mais eficiente, já que possuem maior quantidade de calor sensível, podendo vaporizar a água com mais facilidade. A maior eficiência obtida gerou um resfriamento de aproximadamente 26 °C operando com temperatura de alimentação da água em 50 °C, velocidade do ar em 2,7 m/s, vazão de água em 86 mL/min e utilização de um recheio do tipo anel de Raschig.

Cooling towers are important equipment for cooling liquids from other processes through the simultaneous transfer of heat and mass, by convection and evaporation. In practice, they are equipment with a relatively simple structure, but with several process variables that, theoretically, can be of hard understanding for students. In this paper, the objective is to build a bench scale forced draft cooling tower, for didactic use in IFRS Campus Feliz. The set was built from equipment already available in the chemical engineering laboratory and allows greater understanding of the behavior of several parameters of this unit operation, adding quality to the education of students of the course. More complex devices, not available in the laboratory, were designed and printed on a 3D printer available on Campus Feliz. The prototype construction consists of an acrylic tube 1 m high and 40 mm in diameter, with water inlet from a thermostatic bath and water outlet at the base of the tower, both with the aid of peristaltic feed and return pumps. An air inlet is located at the base of the tower with the aid of a centrifugal fan and the air outlet at the top. K type thermocouple temperature sensors were used to measure dry bulb temperature and wet bulb temperature. The influences of the variation of air flow, water flow, water feed temperature and the usage of packings on the water-cooling process were evaluated. The results obtained were satisfactory and befitting with the theory. As expected, the cooling tower efficiency increased with the increase of the air flow and decreased with the increase of the water flow. Regarding the packings, it was observed that the cooling efficiency increases dramatically when the packing is used. Higher water feed temperatures also generated more efficient cooling, as they have greater sensible heat and can vaporize water more easily. The highest efficiency obtained generated a cooling of approximately 26 °C, operating with water feed temperature at 50 °C, air speed at 2.7 m/s, water flow at 86 mL/min and the use of a random packing of the Raschig ring type.