Uso de termossifões visando a redução da perda de água em torres de resfriamento: análise e experimentos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.As torres de resfriamento são equipamentos de alta eficiência e baixo custo amplamente utilizados na indústria, para o resfriamento de água de processo até temperaturas próximas à temperatura de bulbo úmido do ambiente. Porém, durante o processo de resfriamento, o fluxo de ar que passa pela torre, utilizado para resfriar a água, se torna quente e úmido. Com isso, cerca de 2 a 3% da água resfriada se perde para o ambiente como vapor. No caso de torres em proporções industriais, a vazão de água resfriada é tão grande que esta parcela perdida pode representar uma quantidade considerável d água proporcionando um impacto ambiental negativo. Na intenção de recuperar parte da água que se perde para o ambiente, uma frente de pesquisa iniciada em 2006 no LABTUCAL/UFSC estuda o potencial de recuperação de água com a aplicação de termossifões nas torres de resfriamento. Os termossifões, também conhecidos como dispositivos supercondutores de calor, conduzem o calor do escoamento quente e úmido do interior da torre para o ambiente externo. Como a corrente de ar que sai da torre se encontra usualmente no estado de saturação, qualquer retirada de calor proporciona condensação. Sendo assim, corretamente dimensionadas de forma a ter o mínimo de influência no funcionamento da torre, essas estruturas representam um potencial meio de reduzir o consumo de água de forma passiva. Neste trabalho, pela primeira vez, foi testado experimentalmente termossifões aplicados em uma torre de resfriamento em escala laboratorial. Os testes foram realizados em ambiente externo com a torre e os termossifões sujeitos às condições climáticas. Procedimentos de dimensionamento das superfícies e da escolha do fluido de trabalho do termossifão foram realizados de forma a garantir o funcionamento do dispositivo, mesmo quando submetido a condições desfavoráveis ao seu funcionamento. A quantidade de água recuperada experimentalmente em cada teste foi avaliada com base em parâmetros de funcionamento da torre (temperatura de entrada do fluxo de água quente, vazão de água e vazão de ar) e de condições ambientais (temperatura e umidade do ar e velocidade dos ventos). Um modelo analítico foi proposto para predizer a quantidade de água condensada. A boa concordância entre os resultados experimentais e as previsões analíticas permitiram, por meio do modelo realizar estimativas de recuperação de água com a introdução desta tecnologia em uma torre de tamanho real. A taxa de recuperação estimada confirma o potencial da tecnologia e encoraja o prosseguimento do trabalho, desta vez em escala real.Abstract : Cooling towers are high efficiency and low-cost equipment widely used in the industry for process water cooling to temperatures close to the ambient wet bulb temperature. However, during the cooling process, the flow of air passing through the tower, used to cool the water, becomes hot and humid. With that, about 2 to 3% of the cooled water is lost to the environment as steam. In the case of towers of industrial proportions, the flow of cooled water is so large that this lost portion can cause a considerable loss of water producing a negative environmental impact. In order to recover part of the water lost to the environment, a research front started in 2006 at LABTUCAL/UFSC studies the potential for water recovery with the application of thermosyphons in the cooling towers. Thermosyphons, also known as heat superconducting devices, conduct heat from the hot, humid stream from the tower interior to the external environment. Since the outflow from the tower is usually in the saturated state, any withdrawal of heat provides condensation. Therefore, properly dimensioned in order to have the least influence on the operation of the tower, these structures represent a potential means of reducing passive water consumption. In this work, for the first time, thermosyphons were experimentally tested in a laboratory-scale cooling tower. The tests were carried out in an external environment with the tower and the thermosyphons subject to the climatic conditions. Procedures for surface sizing and choice of the thermosyphon working fluid have been performed to ensure the operation of the device even when subjected to unfavorable operating conditions. The amount of water recovered experimentally in each test was evaluated based on tower operating parameters (hot water flow inlet, water flow and air flow) and environmental conditions (air temperature, humidity and winds). An analytical model was proposed to predict the amount of condensed water. The good agreement between the experimental results and the analytical predictions allowed, through the model, to make estimates of water recovery with the application of this technology in a tower of real size. The estimated recovery rate confirms the potential of this technology and encourages the follow-up work now in full size