ANALYSIS OF A PROTOTYPE FOCUSED ON ENERGY EFFICIENCY APPLIED TO INDUSTRIAL COOLING TOWERS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ar10202411130032
DOS SANTOS, Felipe William Souza¹;
OLIVEIRA, Raquel Paiva².
RESUMO
Introdução: A integração de um sistema de controle energético a uma torre de resfriamento industrial, ao unir esse avanço tecnológico que a tecnológia atual nos proporciona garantido uma maxima eficiência e proteção do meio ambiente. Objetivo: Analisar um protótipo voltado a eficiência energética aplicada a torre de resfriamento industrial, sendo o arduino controlando um automação voltada a isso. Metodologia: O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa com tipo estudo de caso envolvendo a elaboração de um protótipo de um sistema de controle energético aplicado a um torre de resfriamento industrial e suporte da literatura com base de dados Revistas de engenharias. Resultados: Os resultados indicam que o sistema é viável para qualquer uso industrial, garantindo assim mais controle e eficiência a indústria, podendo se adaptar a qualquer ambiente e também adicionado a ele quaisquer tipos de máquinas elétricas para controle. Conclusão: a integração pode contribuir significativamente para o desenvolvimento de soluções inovadoras no campo da automação e da segurança, garantindo maior controle e eficiência na supervisão de ambientes industriais.
Palavras-chave: Sistema controlado. Eficiência energética. Torres de resfriamento. Engenharia elétrica.
ABSTRACT
Introduction: The integration of an energy control system into an industrial cooling tower, by combining this technological advance that current technology provides us, guaranteeing maximum efficiency and environmental protection. Objective: To analyze a prototype focused on energy efficiency applied to industrial cooling towers, with Arduino controlling an automation system aimed at this. Methodology: This study is a qualitative research with a case study type involving the development of a prototype of an energy control system applied to an industrial cooling tower and supporting literature with databases from engineering journals. Results: The results indicate that the system is viable for any industrial use, thus ensuring greater control and efficiency to the industry, being able to adapt to any environment and also adding to it any type of electrical machines for control. Conclusion: integration can contribute significantly to the development of innovative solutions in the field of automation and safety, ensuring greater control and efficiency in the supervision of industrial environments.
Keywords: Controlled system. Energy efficiency. Cooling towers. Electrical engineering
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, as indústrias vivenciam elevados custos de energia devido à crise enfrentada pelo país, e também pela dificuldade de captação de água, rígidas leis ambientais, elevado custo por metro cubico, escassez e políticas de redução de custos. A cada dia tem-se a necessidade de eficiência e melhoria dos equipamentos para se obter ganhos em produtividade.
As torres de resfriamento são equipamentos que utiliza processos de evaporação e transferência de calor para resfriar a água proveniente da maioria dos processos industriais. A água aquecida é originada principalmente do maquinário industrial que geram certa quantidade de calor durante suas operações. Basicamente, o conceito de operação de uma torre funciona com a entrada de água, que se dá na parte superior da torre, através do bocal de entrada, e em sequência é distribuída ao enchimento de contato por intermédio dos bicos ou bocais de distribuição. Simultaneamente, o ventilador, instalado na parte superior ou na lateral da torre, aspira ou insufla o ar para o interior, o qual passa pelo enchimento onde há o contato com a água ocorrendo a transferência de calor. O ar quente sai na parte superior da torre e a água fria é disponibilizada pelo bocal de saída instalada na bacia de água fria. O foco deste artigo é abordar as torres de resfriamento utilizadas em um sistema de arrefecimento dos compressores e secadores de ar comprimido.
O processo de resfriamento envolve a transferência de calor latente decorrente à vaporização de uma parte da água e, também, a transferência de calor sensível devido à diferença de temperatura entre a água e o ar. Segundo Cheremisinoff (1981) aproximadamente 80% do resfriamento é consequente à transferência de calor latente e 20% refere-se ao calor sensível.
Atualmente existe a necessidade de estudos sobre as variáveis de operação e dados experimentais do desempenho, pois estes dados são baseados nos dados de projeto, sem uma verificação posterior (OLIVEIRA, 2011).
O conceito mais usado na avaliação de desempenho do resfriamento de água é a Teoria de Merkel, a qual relaciona a transferência de calor sensível e latente a partir da diferença de entalpia, sendo esta considerada a força motriz do processo (PERRY, 1997; CASETTA, 2003; SILVA, 2015).
Para medir o desempenho das torres é empregado o valor da eficiência determinada a partir das temperatura de entrada e saída da água e temperatura de bulbo úmido. Atualmente, mudanças climáticas ocasionadas pelo aumento do efeito estufa (devido a emissões de CO e CO² para a atmosfera por atividades humanas) é um dos desafios atuais da humanidade. Sabese que, a indústria tem uma grande responsabilidade neste fato e deve-se concentrar-se na redução e geração destes gases, a partir da implementação de mudanças de comportamento e melhorar a eficiência energética, assim reduzindo o consumo de combustível. A eficiência energética ideal é alcançada quando damos importância para a água na indústria (ÁVILA, 2015).
Diante do cenário mundial atual é perceptível a necessidade da busca pela sustentabilidade nas indústrias, com objetivo de alcançar o equilíbrio entre os fatores econômicos, ambientais e sociais. Uma forma de atingir esse equilíbrio é por meio da otimização dos processos atrelado a redução de custos e dos impactos ambientais. Por se tratar da água, e da problemática da sua escassez, é de extrema importância observar a operação destes equipamentos que podem trazer benefícios econômicos e ambientais para as empresas (SILVA, 2015). Com base no levantamento bibliográfico, problemas recorrentes no processo industrial e a problemática no que diz respeito a água e energia, percebeu-se a necessidade de desenvolver uma ferramenta que proporcione um melhor manuseio de torres de resfriamento no setor industrial, visando melhorias econômicas, sociais e ambientais.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Torres de resfriamento
A torre de resfriamento é um equipamento utilizado para resfriar a água industrial proveniente de trocadores de calor e condensadores. Este é um dos equipamentos mais encontrados em plantas industriais, sendo, geralmente, empregada em indústrias químicas e usinas de energia termelétrica e nuclear (LIMA JR., 2011).
Sengundo Blackadder e Nedderman (2004), uma torre de arrefecimento é, basicamente, uma coluna de transferência de calor e massa, com uma grande área de troca térmica entre as correntes. Nesse contexto, a troca térmica no equipamento é dado pela transferência de massa da água para o ar atmosférico, pelo processo natural de evaporação, responsável por aproximadamente 80 % do resfriamento, e a transferência de calor sensível por convecção, provocada pela diferença de temperatura entre o ar e a água, que é normalmente responsável por 20 % do calor transferido, ambos ocorrem devido ao gradiente de temperatura e de concentração do processo (TROVATI, 2004).
A água quente oriunda do processo é enviada para a torre de resfriamento onde uma parte da água é evaporada no ar que atravessa o equipamento, ocorrendo uma troca de calor devida ao calor latente que ocasiona aumento da umidade do ar. À medida que a água evapora, o ar absorve o calor, diminuindo a temperatura da água restante. Além disso, calor sensível também é trocado devido a diferença de temperatura entre a água e o ar. Este processo proporciona o aumento da temperatura do ar e o resfriamento significativo da porção de água acumulada na bacia da torre, que pode ser redirecionada ao processo, permitindo, assim, que grande parte da água seja reusada como fluido de resfriamento, suprindo a demanda do processo (FEMP, 2011; ÁVILA FILHO, 2015).
No funcionamento do sistema de torres de resfriamento existe a adoção da água de makeup afim de suprir a quantidade de água evaporada no processo de resfriamento através do calor latente. Deve-se focar a atenção na importância das fontes dessa água. Existem fontes de água de superfície, que incluem lagos, rios e córregos, e as fontes de água subterrânea que consistem em poços ou aquíferos. De acordo com sua localização, as fontes de água podem transportar altos níveis de lixo suspenso e detritos que podem causar incrustações, se não forem removidas por sistemas de pré-filtração, ou podem ter altos níveis de minerais dissolvidos que contribuem para a formação de escamas ou a corrosão no sistema de resfriamento. Apesar do reuso da água ser uma boa alternativa econômica, deve-se considerar a qualidade da água e a forma como isso impactará o funcionamento eficiente do sistema e a sua capacidade de satisfazer a demanda de refrigeração necessária (FEMP, 2011).
Em sistemas abertos, a água fria proveniente de um manancial é bombeada para os equipamentos resfriadores de calor, e em seguida, é descartada em sua fonte original, dessa maneira, a água de resfriamento entra em contato com os trocadores de calor somente uma vez. Em sistemas fechados com recirculação o processo é não evaporativo, ou seja, o resfriamento da água é realizado em um trocador de calor onde a água não entra em contato com o fluido de resfriamento (TROVATI, 2004). Algumas vantagens dos circuitos fechados são: necessidade de pouca quantidade de água de reposição, melhor controle das temperaturas nos equipamentos de transferência de calor, e evaporação da água quase nula (GE, 2017). O sistema semiaberto com recirculação é caracterizado, principalmente, pelo fato de que a água é continuamente resfriada para ser aplicada em outros processos (MANCUSO, 2001). Inicialmente, a água passa pelo tratamento químico, e é encaminhada para os equipamentos que devem ser resfriados, normalmente uma rede de trocadores de calor. Em seguida, a água com sua temperatura elevada é enviada para uma torre de resfriamento a qual é formada por um recheio interno com distribuição uniforme da água (CORTINOVIS e SONG, 2005). Neste processo a transferência de calor e massa entre a água e o fluxo de ar atmosférico proporciona a redução de temperatura da água, devido, principalmente, à evaporação de uma parcela da água circulante, a qual é retornada de forma apropriada para o reuso com a finalidade de absorver o calor de um novo ciclo do processo (TROVATI, 2004; CTI, 2017).
2.2 Tipos de torres de resfriamento
As torres de resfriamento são classificadas de acordo com o método de circulação de ar no seu interior como tiragem natural, tiragem mecânica forçada ou induzida. As torres com tiragem natural são classificadas em atmosféricas (ventos) ou hiperbólicas (diferenças de densidades), Figura 1, conforme o movimento das correntes do ar, portanto, o local e o clima são fatores decisivos para a sua escolha, pois caso pare o vento ou diminua a sua velocidade o seu funcionamento e operação estará prejudicada. Possuem venezianas por onde entra o ar, sendo o fluxo entre a água e o ar cruzado. Ao contato com a água quente, o ar aquece e sua densidade diminui a diferença de densidade entre o ar na parte interna da torre e o ar externo produz um escoamento natural do ar frio, que ingressa na parte inferior da torre e o ar mais quente e menos denso sai no topo de tal forma que cria uma zona de baixa pressão na parte inferior da Torre que induz a entrada de nova massa de ar frio. Estas torres normalmente tem uma estrutura hiperbólica que facilita a saída do ar pelo efeito chaminé.
Fonte: (REVISTA, 2010)
As torres de tiragem mecânica têm como principal propriedade a utilização de ventiladores para movimentar o ar pelo interior da torre. Em virtude da utilização dos ventiladores estas torres têm tamanhos menores para a mesma carga térmica se comparadas às torres de tiragem natural (RODRIGUES, 2008). Podem ser por tiragem forçada ou tiragem induzida, nas torres com tiragem forçada, Figura 2, o ventilador está situado na parte lateral da torre, abaixo do enchimento, onde o ar distribuído é mais fraco porque tem a necessidade de fazer um desvio de 90°. Outro inconveniente é que o ar parcialmente saturado que sai da torre tem pequena velocidade e não se dispersa com facilidade, podendo desta forma, afetar o ar que ingressa na torre, alterando o seu desempenho.
Fonte: (RODRIGUES, 2008)
Na tiragem induzida, como mostra a Figura 3, o ventilador está situado acima do enchimento da torre, desta forma o ar sai a uma velocidade mais alta, sendo lançado para cima da sua captação, desfazendo mais facilmente, entretanto, nas torres com aspiração induzida, a perda de carga do ar provocada pelo enchimento da torre é maior, o que resulta no aumento de potência do ventilador (RODRIGUES, 2008).
Fonte: (RODRIGUES, 2008)
Estas modalidades de torres são as mais utilizadas nos vários seguimentos da indústria.
Dentro dessa categoria há ainda dois conceitos conforme as trajetórias dos fluxos de ar e água:
- Torre de contracorrente (Figura 4), onde a água que cai através do enchimento o faz verticalmente, enquanto o ar usado para o resfriamento caminha no sentido contrário. A água mais fria entra em contato com o ar mais seco, conseguindo maior eficiência e há menor risco de recirculação de ar.
Fonte: (MACINTYRE, 1997)
- Torre em corrente cruzada é aquela onde à água que cai através do enchimento o faz verticalmente, enquanto o ar usado para o resfriamento perca a na horizontal. (Figura 5)
Fonte: (MACINTYRE, 1997)
Nesta categoria há uma maior facilidade de acesso aos componentes mecânicos e ao sistema de distribuição e a entrada de ar pode incorporar toda a altura da torre, desta forma, as torres são menores e reduz a potência de bombeamento (VENTURINI e PIRANI, 2005).
2.3 Agua para torres de resfriamento
As considerações apresentadas neste item, dizem respeito ao consumo e a qualidade de água para torres de resfriamento.
As atuais torres de tiragem mecânica são projetadas de modo a minimizar as perdas de água pelo vento e arraste, mantidas entre 0,01 e 0,3% da vazão de recirculação, definida no item seguinte, segundo DREW PRODUTOS QUÍMICOS LTDA (1979).
Projetos industriais tem capacidade típica de resfriamento situada entre 5 e 30º C, denominada pelos fabricantes desse equipamento de “faixa”, que é definida como a diferença de temperatura entre a água quente de entrada e a água fria da bacia. Cerca de 85 a 95% do resfriamento deve-se à evaporação, sendo o resto atribuído à transferência de calor para o ar circundante, por convecção. Genericamente, a quantidade de água perdida por evaporação pode ser avaliada aplicando-se um fator de 0,85 a 1% da vazão de recirculação para cada 5,55 ºC de queda de temperatura ao longo da torre, sendo 1,0% geralmente adotado para aproximações. Nessas condições, uma torre de resfriamento com uma vazão de recirculação de 24.000 m³/h e uma queda de temperatura de 14ºC, perderia por evaporação cerca de 2,5%, ou 600 m³/h.
A seguir são apresentadas as terminologias adotadas para a elaboração do balanço de massas dos três tipos de sistemas. A: água de alimentação (make up), utilizada para compensar a perda no sistema (m³/h). E: água de evaporação de sistemas evaporativos, principal responsável pelo abaixamento da temperatura da água circulante (m³/h). R: água de respingo que sai junto com o fluxo de vapor e com o ar (m³/h). P: água de purga (blow dow) utilizada para limitar as concentrações salinas da água, em sistemas evaporativos (m³/h). C: ciclo de concentração, indicador do número de vezes que uma dada porção de água se concentra num sistema evaporativo. V: volume estático no sistema. Nos sistemas evaporativos é dado pela soma dos volumes das bacias das torres, das tubulações e dos trocadores de calor (m³).
Para as concentrações salinas ou iônicas será adotada a seguinte terminologia:
- ca: concentração iônica na alimentação
- ce: concentração iônica na evaporação
- cr: concentração iônica nos respingos
- cp: concentração iônica nas purgas
- cc: concentração iônica na circulação
Por outro lado, o balanço de massas para os sistemas de resfriamento pode ser dado pela relação abaixo: A = E + R +P (1), Em termos de concentrações salinas, essa relação pode ser expressa da seguinte forma A ca = E ce + R cr +P cp (2)
3. METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa com tipo estudo de caso envolvendo a elaboração de um protótipo sistema de controle de um torre de resfriamento, os componentes eletrônicos foram montados conforme as especificações do circuito de controle, com atenção especial à conexão correta dos fios e componentes.
Foi desenvolvido um código específico para esse projeto , utilizando a linguagem de programação C/C++, desenvolvendo um lógica do tempo de funcionamento do resfriamento.
3.1 Materiais para elaboração do protótipo
A tabela 1 abaixo apresenta os principais materiais utilizados no projeto, incluindo componentes eletrônicos, hardware e software.
Tabela 1: Tabela de componentes com suas descrições
| Componentes | Descrição |
| Arduino uno | Placa microocontrolada, na qual realizasse as programações em liguagem c/c++ para ativação de algum sistema. |
| Protoboard | Placa de contato para montagem de circuito. |
| Senso de temperatura NTC10K | Este módulo consiste em um sensor de temperatura NTC, que tem como característica a diminuição da resistência conforme o aumento da temperatura onde é submetido e pode ser utilizado em equipamentos como condicionadores de ar, sistemas de refrigeração e outros dispositivos. |
| Microventilador cooler 12v | Ventilador para tensões DC |
3.2 Elaboração do protótipo
Para a elaboração do protótipo seguiu-se as etapas: a) Confecção do código:
- Instalação do programa: Instalou-se a IDE do arduino para confecção do código; b) Montagem da torre de resfriamento:
- Palitos e papelão: Foi feito a montagem de um protótipo de torre com esses materias, pegando como base desenhos de torres de resfriamento;
- Instalção do ventilador: Usou-se um ventilador de 12v, na qual foi montado no topo da torre de resfriamento.
- Instalação do sensor de temperatura: Configurou-se o sensor para temperatura desejada, para assim ele atuar no controle do resfriamento .
Figura 6: Elaboração do protótipo
3.3 Montagem e Testes:
- Montagem (Figura 7): Colocado todos os componentes conectados a torre e o sensor, e ventilador, na qual foram conectados juntos, assim de acordo com a temperatura o relé dispara e liga o ventilador para baixar a temperatura
- Testes: Após montagem o sistema, testado cada componente para garantir que tudo está funcionando corretamente. Foi verificado a comutação do relé, o funcionamento do ventilador, assim como verificou-se que o ventilador está ativando na temperatura ja setada.
Figura 7: Protótipo pronto
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Funcionamento do sistema controlado pelo sensor de tempratura
O protótipo desenvolvido visa integrar o controle de uma torre de resfriamento, por meio sensor de temperatura, com um sistema microcontrolado por arduino. A inovação principal está na utilização de um relé que atua como intermediário entre o sensor e o ventilador instalado no topo da torre, permitindo a comutação de sinais em tempo real.
O sistema microcontrolado via arduino, onde a partida direta do ventilador foi controlada por sinal do mandado para o módulo relé de 12V NA/NF que foi incorporado ao circuito, conectando na entrada da contactora que será comutado conforme o estado do relé. Fares (2021), destaca que quando o ventilador é acionado, o relé responde com a mudança dos contatos, alternando a transmissão.
A comunicação entre a sensor de tempratura NTC10K e o relé foi estabelecida de forma eficiente. O relé, ao receber o sinal de ativação do sensor e assim aciona o ventilador. Cavalcante (2020), afirma que o sistema foi projetado para minimizar a interrupção no fluxo de dados, garantindo a troca de estado.
A resposta do relé ao sinal de ativação do ventilador foi praticamente instantânea. Testes de tempo de resposta demonstraram que a comutação ocorre em frações de segundo, o que foi crucial para funcionamento correto do protótipo. Ribeiro (2021), esclarece que a eficiência do relé garantiu que o sistema pudesse responder rapidamente a qualquer mudança no estado do ventilador, sem atrasos significativos na transmissão de dados.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Uma torre de resfriamento faz uso de transferência de massa e de energia para resfriar água a partir do contato desta com o ar. Como essas transferências se processam por meio de superfícies, é de interesse que nessas torres se tenha a máxima superfície possível de água exposta ao ar. Realizar a automação em uma empresa não é uma tarefa fácil. Aparentemente faz crer que basta acrescentarmos à produção equipamentos que realizem todas as operações sem a influência do ser humano. Existem diversas estratégias que podem ser empregadas para melhorar a produtividade e flexibilidade nas operações industriais. Considerando que essas estratégias foram implementadas frequentemente por meio de tecnologia de automatização e foram assertivas, cumprindo então todos os objetivos iniciais. Para trabalhos futuros fica a dica que é importante ter-se em mente que a mínima temperatura de água resfriada que se pode conseguir com o equipamento é função direta das condições climáticas do local de instalação, então pode variar de acordo com cada projeto especifico.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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CHEREMISINOFF, N. P., CHEREMISINOFF, P. N. Cooling Towers: Selection, design and pratice. Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor, MI, 1981.
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OLIVEIRA, J.D. Auditoria em torres de resfriamento em indústrias químicas. Especialização em Engenharia Econômica, Estratégia e Prevenção de Perdas na Indústria – CEPI. UFBA, 2011.
PERRY, R. H.; GREEN, D. W. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 7th ed., McGraw Hill, Nova York, 1997.
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RODRIGUES, A. P. Processo Industriais. Suzano: Colegio Cetes, 2008.
SILVA, A. F. Otimização de torres de resfriamento. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos, UFRJ, 2015.
TROVATI, J. Tratamento de água de resfriamento. 2004. Disponível em: <http://www.snatural.com.br/PDF_arquivos/Torre-Caldeira-Tratamento-Agua.pdf.>
¹Graduando em Bacharelado em Engenharia Elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: engefew@gmail.com
²Msc. em Ciências do Ambiente e Sustentabilidade na Amazônia, Orientadora do curso de Engenharia Elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: roliveira@niltonlins.br