Ar condicionado
Torres de resfriamento e o impacto no consumo de energia e água
Selecionadas adequadamente contribuem para o bom desempenho dos sistemas
postado em: 02/05/2016 14:45 h atualizado em: 13/05/2016 09:50 h

Torres de resfriamento selecionadas adequadamente, instaladas em ambientes abertos, com áreas livres em seu entorno, tratamento químico e manutenção preventiva periódica proporcionarão um bom desempenho ao sistema de ar condicionado.

“As torres possuem vários tipos de enchimentos, elementos de superfície que permitem a troca de calor e a melhor evaporação da água para obter o resfriamento desejado. Esses enchimentos podem ser de colmeias em PVC, blocos de grade, ripas triangulares ou, ainda, vazias (sem enchimento). Essas últimas são utilizadas principalmente em aplicações industriais, onde a temperatura de água é muito alta e pode derreter o enchimento. Algumas das alternativas para diminuir as capacidades das torres poderão ser utilizadas, tais como sistemas mistos de condensação a ar e a água. Essas soluções são mais bem-vindas quando da concepção do projeto, porém poderão ser estudadas e implantadas em sistemas existentes e em retrofits. Outra alternativa que pode diminuir a capacidade das torres de resfriamento e consequentemente o consumo de água é quando a aplicação na edificação requer algum tipo de água quente para consumo. Neste caso os chillers com o sistema de heat recover (recuperadores de calor) são muito apropriados, principalmente em hospitais, hotéis, motéis, academias de ginástica, shoppings, entre outros. Por último, as torres de resfriamento de circuito fechado, a saber, um fechado e um aberto. O circuito aberto é composto de uma bomba de água de pequeno porte fixada no lado de fora da torre, uma tubulação pequena e a árvore de distribuição de água. O circuito fechado é composto de uma rede hidráulica que interliga os chillers ou condicionadores de ar com condensação a água, bombas de água condensada e um feixe tubular (trocador de calor) no interior da torre. A água do circuito fechado não entra em contato com eventuais partículas em suspensão no ar externo que se depositam na bacia. Esse circuito fica limpo e não necessita de tratamento químico. O circuito aberto possui um volume de água muito pequeno comparado com o do circuito fechado e requer uma quantidade de produtos químicos bem menor e também menos perda de água na purga”, explica Ricardo Gibrail, diretor da Air System. 

Ricardo Gibrail, diretor da Air System

Um dos pontos observados pelo engenheiro de aplicação da Evapco, Bruno Bonaldi, é o atendimento à capacidade solicitada no pico de verão, garantidos pela certificação de performance das torres de resfriamento do Cooling Technology Institute (CTI) dos EUA.  “Também devem ser observados o espaço disponível para instalação das torres e a proximidade com prédios vizinhos, onde o nível sonoro das torres deve ter atenção redobrada para que atendam a legislação aplicável, especificado com base na norma CTI Test Code ATC-128 padronizando as medições e usando uma base única para comparar os diversos modelos de torres existentes”, orienta Bonaldi.

Segundo ele as torres de resfriamento têm papel fundamental na eficiência do sistema, pois atuam de forma determinante para manter a temperatura de condensação do fluido na temperatura especificada. “Torres subdimensionadas ou condensadores com acúmulo de sujeira ao longo do tempo de operação prejudicam a troca térmica, fazendo com que a temperatura de condensação aumente, acarretando em grande desperdício de energia nos chillers e nos sistemas a água, pois para cada 1°C de aumento na temperatura de condensação, o consumo de energia elétrica nos chillers aumenta até 4%. Além disto, torres bem dimensionadas geram grande economia de energia elétrica durante períodos noturnos e de inverno, uma vez que trabalham em função da temperatura de bulbo úmido e para atender o pico de verão, proporcionando ao restante do ano sobra de capacidade, podendo trabalhar com menor rotação do ventilador com inversores de frequência. O dimensionamento correto das torres garante que o sistema opere com as temperaturas de condensação conforme especificado, proporcionando eficiência dos chillers e sistemas VRF, evitando desperdício de energia em função de altas temperaturas de condensação. Sistemas de condensação a água trabalham com temperaturas muito mais baixas quando comparados com sistemas a ar, além de ocuparem menor área de instalação. Para minimizar o consumo de água, pode-se utilizar torres de circuito fechado da linha, que utilizam serpentinas aletadas no circuito úmido e possuem uma serpentina seca na parte superior, onde estas trabalham em série para resfriar o fluido.  Com esta tecnologia, as bombas de recirculação das torres podem ser desligadas em períodos noturnos e de inverno, eliminando o consumo de água. Oferecemos uma simulação de consumo de água x consumo de energia para estas torres no período de um ano, com base no local de instalação e perfil de carga térmica de projeto demonstrando o rápido pay back que estes equipamentos propiciam”, diz Bonaldi.

Torre de resfriamento do tipo circuito fechado

O engenheiro Tiago Eorendjian, superintendente técnico da Körper, alerta para a finalidade da torre como fator predominante para um bom selecionamento do equipamento de forma a extrair o melhor rendimento possível. Informações técnicas como local da instalação para se obter o TBU (Temperatura de Bulbo Úmido), temperatura de água fria, temperatura de água quente, vazão de água requerida e outras especificidades indispensáveis para a especificação de torres de resfriamento. A informação da qualidade da água do processo que será resfriada também é muito importante, pois ela que determinará o tipo de enchimento e sistema de distribuição de água a ser utilizado. A temperatura do fluido quente é citada, pois determina quais materiais podem ser utilizados. A água disponível e o tipo de tratamento que será feito interferem também na metalurgia dos componentes que serão utilizados na fabricação, além de observar no local da instalação se há contaminação do ar por componentes corrosivos.

Tiago Eorendjian, superintendente técnico da Körper

“O objetivo do sistema de resfriamento de água em torres de resfriamento é obter o controle de temperatura para que o processo fabril seja estável, com temperatura constante dentro dos parâmetros especificados, de forma que a produção seja contínua e sem paradas por sobreaquecimentos. Os sistemas de resfriamento possibilitam o reuso de água e impedem o desperdício da mesma. Antigamente, era comum a captação de água de rio, lago ou mesmo uso de água pública, essa água passava pelos trocadores de calor do processo e era descartada em altas temperaturas diretamente no rio, esgoto etc. As torres de resfriamento impedem isso e a água quente que sai do processo passa pela torre de resfriamento para ser resfriada e novamente bombeada para o trocador de calor, não desperdiçando água e nem degradando o meio ambiente. Uma alternativa em destaque é o uso de resfriadores de circuito fechado, com uma serpentina em aço inoxidável instalada dentro do resfriador permitindo que o fluido resfriado circule somente dentro dela, evitando contaminação e perdas de água do processo por evaporação. O quesito energia elétrica é muito importante já que as torres de resfriamento são consumidoras de energia, seja no ventilador ou no sistema de bombeamento. Atualmente, aplicamos motores de alto rendimento em seus resfriadores que, e em conjunto com hélices de alta performance, proporcionam uma eficiência energética muito superior. Além disso, o uso de inversores de frequência é praticamente obrigatório para a boa eficiência e também menor ruído”, diz o superintendente da Korper.

Tipos e especificação

De acordo com Gibrail a torre de resfriamento é o último processo de rejeição de calor entre o ambiente interno e o externo. Ela irá rejeitar o calor que o gás refrigerante dos chillers e condicionadores de ar absorveram do ambiente interno, transferindo-o para a água de condensação; através de seus chuveiros parte da água evaporará absorvendo o calor. Elas podem ser do tipo insuflação ou do tipo aspiração. As torres do tipo insuflação requerem espaços de manutenção mais reduzidos, normalmente na parte frontal onde se encontra o conjunto motor ventilador, e num dos lados onde se encontra o postigo de inspeção para que a pessoa possa entrar na torre para a lavagem da bacia coletora de água. Nas torres de resfriamento de aspiração, a necessidade de espaço ao seu redor é maior e nos quatro lados. Cada fabricante recomenda distâncias específicas para cada tipo de torre e alerta principalmente para os obstáculos em seu entorno como platibandas ou paredes de alvenaria comumente usadas para escondê-las, que as confinam em fossos prejudicando a tomada de ar e seu rendimento. Nos últimos anos as torres de resfriamento passaram por algumas evoluções como a melhoria do design dos eliminadores de gotas, onde normalmente as perdas por arraste eram da ordem de 0,1% da vazão de água circulante, e hoje podem chegar a 0,01% da mesma vazão. Outro acessório incorporado nas torres são as grelhas de entrada de ar indevassáveis (louvers). Elas impedem o contato da luz solar com a água contida na bacia reduzindo significativamente a quantidade de algas, de produtos químicos e água perdida na purga. Outra novidade são as torres de resfriamento com dry cooler. Essa torre é igual a uma torre normal de aspiração, na parte superior, acima dos eliminadores de gotas, possui uma serpentina para circular parte da água a ser resfriada, consumindo apenas a energia do ventilador da torre. A parte de circulação de água permanece desligada, e são conhecidas como torres híbridas. Há ainda os ventiladores das torres que podem ser do tipo centrífugo ou axial. O tipo de acionamento entre os motores e os ventiladores podem ser diretos, com polias e correias ou ainda por redutores engrenados. As aplicações, o local de instalação e a vizinhança é que irão definir qual o tipo de torre, qual o modelo, qual o enchimento e qual o nível de ruído a ser escolhido. As limitações comumente encontradas são as dimensões das torres, principalmente a altura, as áreas de abertura em seu entorno e, às vezes, o peso em operação”, informa o diretor da Air System.

Torre de resfriamento tipo aspiração

Já os motores devem estar localizados fora do fluxo de ar úmido para garantir maior vida útil a estes componentes e fácil acesso através de plataformas para manutenção, fornecidas ou não pelos fabricantes.

Para Bonaldi os eliminadores de gotas de alta eficiência e a utilização de venezianas especiais na entrada do ar tratam-se de tendências europeias e americanas já muito utilizadas no Brasil.

“Estes louvers eliminam 100% da perda por splash-out, que é a perda da água caindo na bacia da torre e respingando para fora, e bloqueiam 100% da entrada de luz solar, eliminando a proliferação de bactérias e outros microrganismos na bacia das torres de resfriamento. O controle do nível sonoro das torres também evoluiu muito. Hoje conseguimos chegar a menos de 50 db (A) medidos a 5,0 m de distância. Outra implementação são as torres axiais com super low sound fans, com ventiladores axiais de baixo consumo de energia e grandes pás que atingem níveis sonoros muito baixos, ou, ainda, torres com ventiladores centrífugos de baixíssimo nível sonoro que permitem diminuir ainda mais este nível trabalhando no sistema low speed, sendo a torre dimensionada para operar com reduzido RPM dos ventiladores. Conseguimos, ainda, chegar em valores inferiores a 50 db (A) acrescendo os atenuadores de ruído e tornando o ruído praticamente imperceptível, sendo esta última alternativa muito utilizada em sistemas próximos a prédios residenciais e operando em sistemas 24 horas. Outra grande evolução é o lançamento de torres circuito fechado que utilizam serpentinas aletadas na troca úmida, maximizando a troca térmica e diminuindo o espaço necessário para sua instalação. Elas já saem de fábrica com um controlador que pode ser programado em dois modos: energy mode e water mode. No energy mode, o controlador prioriza o baixo consumo de energia, assim as bombas de recirculação funcionam o tempo todo e a rotação dos ventiladores varia de acordo com a temperatura de bulbo úmido local ao longo do ano. No water mode, o controlador prioriza o baixo consumo de água, onde os ventiladores funcionam o tempo todo e as bombas de recirculação variam a vazão de água, desligando-se em períodos mais frios. Já as torres de insuflação com ventiladores centrífugos são muito utilizadas em locais onde o nível de ruído exigido é muito baixo, geralmente próximos a residências e sistemas 24 horas como data centers e hospitais. Por trabalhar com ventiladores centrífugos, elas podem ser dutadas ou enclausuradas numa garagem subterrânea, por exemplo, permitindo flexibilidade ao projeto. E as torres de aspiração com ventiladores axiais são muito utilizadas em projetos onde o local de instalação é no topo dos prédios ou quando as torres não possuem vizinhos muito próximos. Porém, este conceito está mudando devido aos novos ventiladores super low sound fans que chegam a níveis sonoros próximos dos ventiladores centrífugos, mas com menor consumo de energia”, aponta Bonaldi.

Torre de resfriamento do tipo insuflamento

Pensando em atividades de manutenção, Arnaldo Lopes Parra, presidente do DN Manutenção e Instalação da Abrava e diretor da Positron, considera os seguintes quesitos: “Facilidade de acesso para os componentes, tais como enchimento, ventiladores, motores etc. Portas de inspeção de fácil acesso são fundamentais; ralos de limpeza com localização simplificada; boias de reposição de material resistente; opções de proteção contra acesso de pássaros e insetos; opções de lado de ligação dos pontos de água; robustez para apoio de pessoal durante os trabalhos de manutenção; material de composição das torres resistente à produtos químicos e corrosão; bacia resistente a raspagem e robustez suficiente para acesso de pessoas; facilidade de substituição de componentes internos, tais como bicos de aspersão e enchimento”.

Arnaldo Lopes Parra, presidente do DN Manutenção e Instalação da Abrava

Partes e componentes em prol da eficiência

“Os ventiladores, por exemplo, são responsáveis pelo ruído e consumo de energia, por conta disso, deve ser especificado o uso de hélices de alto rendimento, testadas em túneis de vento para comprovar sua eficiência. Há vários tipos de perfis de pás de hélices, que são selecionadas de acordo com a aplicação. Hélices de alto rendimento proporcionam menor consumo de energia elétrica e menor propagação de ruído. Em situações críticas, quando o nível de ruído solicitado é muito baixo, pode-se utilizar também ventiladores centrífugos. Já a função dos variadores de frequência é variar a rotação dos ventiladores de forma a obter o melhor ponto de operação da torre de resfriamento. Com o inversor é possível alcançar menor consumo de energia, menor nível de ruído e menor consumo de água (menos arraste). Durante a noite, com a temperatura mais amena, pode-se proporcionar às torres menor velocidade, menor consumo e menor nível de ruído”, explica Eorendjian.

“A torre de resfriamento é um item essencial em um sistema de refrigeração ou ar condicionado com condensação a base de água, e o bom desempenho do sistema depende fundamentalmente de uma seleção adequada do tipo de ventilador, seja axial ou centrífugo, e sobretudo da manutenção correta. Os ventiladores têm como função garantir o fluxo de ar através da torre de resfriamento maximizando a troca térmica. Eles movimentam o ar que irá resfriar as células de evaporação de água da torre, e os itens a serem observados na especificação do ventilador num projeto de torre de resfriamento são: vazão de ar, pressão estática, consumo de energia, nível de ruído e materiais resistentes a umidade e corrosão”, orienta Eduardo C. Bertomeu, da Termodin Componentes Termodinâmicos.

Tão importante quanto os ventiladores, os inversores de frequência têm papel fundamental para a economia de energia em torres de resfriamento. Através de um sensor de temperatura instalado na saída de água resfriada da torre é possível programar a temperatura desejada de água de condensação conforme projeto e com a variação da temperatura de bulbo úmido externa durante o ano (dias um pouco mais frios, período noturno e principalmente no inverno), reduzindo a rotação dos ventiladores da torre.

De acordo com Emerson Vier, coordenador de vendas da Danfoss, com inversores de frequência é possível ter um controle de forma gradual, “pois sem eles o sistema fica ligado direto, mesmo quando não é necessário fazer o resfriamento da água controlando a velocidade dos motores elétricos. Consequentemente, temos o controle da vazão dos ventiladores e, assim, um sistema equilibrado e sem gastos desnecessários”. 

“A aplicação de inversores de frequência em torres de resfriamento pode representar redução no consumo de energia elétrica entre 40% e 80%, dependendo da planta e condições do sistema em que forem aplicados”, afirma Caio Cesar Benvenuto de Carvalho, do departamento de vendas automação HVAC da WEG. “Além da diminuição do consumo de energia, a tecnologia dos inversores de frequência, principalmente quando aplicados em torres de resfriamento, apresenta grande economia de outro item valioso: a água, podendo-se obter uma redução de 15% a 30% no consumo da mesma”, completa Carvalho.

“Claro que para otimizar e alcançar porcentagens elevadas de economia dessas variáveis com a melhora de rendimento, o motor, que atua em conjunto com o inversor, também deve ser diferente dos modelos padrões de mercado, por possuir um rendimento mais elevado. A correta combinação de motor + inversor de frequência apropriados para tal aplicação com certeza irá gerar resultados bem satisfatórios, conforme case aplicado e estudado na fábrica da WEG (veja link abaixo). As torres de resfriamento estão sujeitas a condições variáveis de operação conforme a demanda do processo e temperatura ambiente, que são instáveis durante todo o período de funcionamento. Sendo assim, a solução com inversor de frequência, reconhece estas variáveis e ajusta o conjunto motor ventilador para entregar ao processo somente o exigido pela aplicação, o que resulta na redução do consumo de energia elétrica e aumento da vida útil do motor. Além disso, outra função que resulta em ganhos na economia de água é o controle da temperatura da mesma de acordo com a necessidade do processo, já que ora a água precisa resfriar mais, ora menos. Por consequência, a evaporação, que antes ocorria em excesso, diminui”, conclui Carvalho.

 

Componentes de uma torre de resfriamento e respectivas funções

Motor – acionar a hélice;

Hélice – garantir a circulação da quantidade de ar necessária e pressão suficiente para vencer as venezianas na entrada de ar, enchimento e eliminadores de gotas e, também, para forçar a passagem do ar em contra fluxo e contracorrente, cruzado, aspirado e forçado;

Eliminador de gotas – eliminar respingos e arraste de água;

Bicos de distribuição de água – distribuir a água uniformemente dentro da torre de forma a usar toda a área interna e otimizar a troca de calor;

Enchimento – distribuir a água no corpo da torre para melhor troca de calor;

Bacia – local onde a água resfriada é armazenada e depois bombeada.

 

 

Ana Paula Basile Pinheiro - anapaula@nteditorial.com.br

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