Análise da utilização de gargalos e fios de garrafa pet

Análise da utilização de gargalos e fios de garrafa pet

(Parte 1 de 7)

Recife, Março de 2009.

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iv v DEDICATÓRIA

Em memória de minha querida vovó Zezé que não terá a oportunidade de viver este momento.

A minha mãe Maria de Lourdes Carneiro Tomás que se doou por inteira e renunciou aos seus sonhos para que eu e meus irmãos realizássemos os nossos.

Ao meu esposo Juliano Oliveira da Silva, pela dedicação, paciência e confiança durante toda esta jornada, tendo, na minha ausência, cuidado sozinho de nossa filha, nascida durante o mestrado.

A minha filha Giovanna, minha vidinha, fonte de pureza e alegria.

vi

Agradeço a Deus todo-poderoso pelo dom de vida que me concedeu e por ter iluminado meu caminho durante todos estes anos.

Aos meus pais Lourdes e Aldo que me deram à vida e me ensinaram a vivê-la com dignidade. Aos meus irmãos Flávio e Carlinhos que me transmitiram carinho e segurança durante toda minha vida.

A professora e orientadora Ana Rosa Mendes Primo pela sua orientação e apoio na realização deste trabalho, além de sua valiosa amizade.

Aos amigos Thiago Parente, Gutemberg, Ângelo, Aristóteles, Daniela e seu esposo Ítalo, pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho.

A todos os professores e amigos do CEFET-PE, da graduação e do mestrado, pelo companheirismo, carinho, aprendizagem e momentos agradáveis de convívio. Em especial aos amigos da graduação Marcelo Henrique e Marcelo Rangel, Amaury, Carlos, Anderson, Rubinho, Rodrigo, Tarsila, Luciana e Wesley, pela amizade e pelos estudos em grupo, onde sem eles concluir o curso seria bem mais difícil.

A CAPES pelo suporte financeiro durante o período de realização deste trabalho e a ARCLIMA pelos materiais e pela mão de obra fornecida.

Agradeço a todos que de uma forma ou de outra possibilitaram a conclusão deste curso, a todos minha sincera gratidão.

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Em alguns processos industriais e de condicionamento de ar há a necessidade do resfriamento de equipamentos que geram certa quantidade de calor durante sua operação. O fluido geralmente utilizado para dissipar esse calor gerado é a água, devido às suas características físicas (alto calor especifico, baixa viscosidade, alta condutividade térmica e alta densidade), além da facilidade de obtenção, baixo custo e além de sua atoxidade. Uma Torre de Resfriamento de água é um equipamento que utiliza processos de evaporação e transferência de calor para resfriar a água, a qual é aspergida sobre um enchimento que tem a finalidade de aumentar a área de contato entre o ar e a água. Os materiais comumente empregados nos enchimentos de torres de resfriamento são os sarrafos de madeira, plástico e a fibra de vidro. O tipo de enchimento influencia bastante no preço de uma torre de resfriamento, podendo ser responsável por até 40% do custo total de uma torre. Nesta dissertação, o enfoque é dado na avaliação de enchimentos de fios e gargalos de garrafas PET, com as seguintes configurações: dois arranjos para fios e dois arranjos de gargalos. Os resultados foram comparados com dois enchimentos comerciais, fabricados pela ALPINA: o enchimento industrial do tipo corrugação vertical off-set e o enchimento de grades trapezoidais. Foi construído um protótipo de uma torre de resfriamento em contracorrente e analisados os efeitos da temperatura de entrada da água, da vazão de ar e da vazão de água sobre a eficiência da torre, para os tipos de enchimento acima citados. Os resultados indicam que os enchimentos testados apresentaram resultados satisfatórios para serem utilizados como enchimentos de torres de resfriamento. Uma simulação numérica através do software EES (Engineering Equation Solver) foi conduzida mostrando boa concordância com os dados experimentais.

Palavras Chave: Torre de resfriamento, gargalos PET, transferência de calor e massa, enchimentos evaporativos, psicrometria.

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In some industrial processes, as well as in air conditioning processes, there is the need for cooling of equipments that generate heat during his operation. Usually, the fluid utilized to dissipate that generated heat is the water, due to its physical characteristics (high heat capacity, low viscosity, high thermal conductivity and high density). Besides its facility to obtain, low cost and atoxicity. A cooling tower to refrigerate water is an equipment that utilizes processes of evaporation and heat transfer to cooling water, which is sprinkled over a packing that enlarges the contact area between air and water. Commonly, the materials used as packing for cooling towers are wooden laths, plastic and fiberglass. The kind of cooling pad acts on the final price of a cooling tower, and can be responsible for even 40% of the total cost of a cooling tower. In this dissertation, the main focus is given to P.E.T. bottles, with the following configurations: two arrangement for P.E.T. threads and two arrangements for P.E.T. neck bottles. The results were compared with two commercial cooling pads from ALPINA: vertical offset corrugated packing and the trapezoidal grid packing. A prototype of a counter flow cooling tower was built. For the mentioned packings, some effects over the efficiency of the cooling tower were analyzed: temperature rising of the inlet water, rising in air flow and water flow. The results indicated that the tested cooling pads can be used as packing for cooling towers. Using the software EES (Engineering Equation Solver) a numerical simulation was carried out, showing good agreement with the experimental results.

Key words: Cooling tower, P.E.T. neck bottles, heat and mass transfer, cooling pads, psicrometry.

AÁrea de contato entre o fluido e a superfície, [m²]
pCCalor específico a pressão constante, [kJ/kgK]
parCCalor específico do ar seco, [kJ/kgK]
puCCalor específico do ar úmido, [kJ/kgK]
pagCCalor específico da água, [kJ/kgK]
pvCCalor específico do vapor de água, [kJ/kgK]
DCoeficiente de difusão de massa, [m²/s]
mistHEntalpia da mistura, [kJ]
arHEntalpia do ar seco, [kJ]
vHEntalpia do vapor de água, [kJ]
misthEntalpia específica da mistura, [kJ/kg]
arhEntalpia específica do ar seco, [kJ/kg]
aghEntalpia específica da água, [kJ/kg]
vhEntalpia específica do vapor, [kJ/kg]
ihEntalpia do ar saturado a temperatura da água, [ºC]
lvhCalor latente de vaporização, [kJ/kg]
dhCoeficiente de transferência de massa por convecção, [m/s]
chCoeficiente de transferência de calor por convecção, [W/m² ºC]
KCondutividade térmica do fluido, [W/m ºC]
LefFator de Lewis
LeNúmero de Lewis
LComprimento característico da superfície, [m]
saidam&Fluxo mássico de água de saída, [kg/s]
entradam&Fluxo mássico de água de entrada, [kg/s]
vm&Taxa de transferência de vapor de água, [kg/s]
agm&Taxa de transferência de água, [kg/s]
maMassa de ar seco, [kg]
mvMassa de vapor de água, [kg]
MepNúmero de Merkel
NuNúmero de Nusselt
NUTNúmero de Unidades de Transferência
PETPoli Tereftalato de Etileno
pvPressão parcial do vapor de água, [Pa]
pgPressão de saturação do vapor de água, [Pa]
ptPressão total (atmosférica), [Pa]
paPressão parcial do ar seco, [Pa]
PrNúmero de Prandtl
Calor total transferido, [kJ]
SQδCalor sensível, [kJ]
LQδCalor Latente, [kJ]
RaConstante de gás do ar seco, [J/kgK]
RvConstante de gás do vapor, [J/kgK]
ReNúmero de Reynolds
ShNúmero de Sherwood
ScNúmero de Shmidt
BSTTemperatura de bulbo seco, [ºC]
BUTTemperatura de bulbo úmido, [ºC]
sTTemperatura da superfície, [ºC]
∞TTemperatura do fluido longe da superfície, [ºC]
agTTemperatura da água, [ºC]
arTTemperatura do ar, [ºC]
VVolume, [m3]; Velocidade do fluido, [m/s]
wUmidade absoluta, [kg / kg de ar seco]
satwUmidade absoluta na saturação, [kg / kg de ar seco]
iwUmidade absoluta à temperatura da água, [kg / kg de ar seco]
αCoeficiente de difusividade térmica, [m²/s]
νViscosidade cinemática, [m2/s]
Densidade do vapor de água junto à superfície molhada, [kg/m³]
∞ρDensidade do vapor de água junto ao longe, [kg/m³]
/img01/trmd_001.png)2

Figura 1.1 – Funcionamento de uma torre de resfriamento (Fonte :w.mspc.eng.br/termo

1989)4

Figura 1.2 – Torre de resfriamento por pulverizadores com ventilação natural (Fonte: Apostila Omni,

(Fonte: Elonka & Minich, 1978)5

Figura 1.3 – Torre de resfriamento hiperbólica de grande estrutura com tiragem do tipo chaminé

(Trovati, 2006)6
Figura 1.5 - Torre de tiragem forçada (ALPINA, 2006)6
Figura 1.6 – Torres de Tiragem Mecânica Forçada (Fonte: Apostila Omni, 1989)7
Figura 1.7 – Torre de tiragem induzida (ALPINA, 2006)8

Figura 1.4 – Torres de Resfriamento de Tiragem Natural, instaladas em uma central NUCLEAR

http://w.meiofiltrante.com.br)8
Figura 1.9 – Torre de tiragem induzida (Pirani & Venturini, 2004)8

Figura 1.8 – Esquema de uma torre de tiragem induzida em corrente cruzada (Fonte:

w.sj.cefetscedu.br/ ~jesue/torres%20arrefecimento.ppt)9
Figura 1.1 – Venezianas em uma torre de resfriamento (ANNEMOS, 2006)9
Figura 1.12 – Eliminador de gotas (ALPINA, 2006)10
Figura 1.13 – Ventilador axial de grande porte (ALPINA, 2006)1

Figura 1.10 – Principais componentes de uma torre de resfriamento (Fonte:

w.TorresDeEnfriamiento.com)1

1.14 – Motor axial de uma torre de tiragem induzida (Fonte:

w.sj.cefetsc.edu.br/~jesue/torres%20arrefecimento.ppt)12
Figura 1.16 – Sistema de distribuição por gravidade. (Costa, 2006)13
Figura 1.17 – Enchimento de respingo (Pirani & Venturini, 2004)14
Figura 1.18 – Enchimento de respingo (ALPINA, 2006)14

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(direita), (ALPINA, 2006 e CARAVELA, 200)16

Figura 1.20 – Enchimento de grades trapezoidais da ALPINA(esquerda) e da CARAVELA

& Kroger, 2003)19

Figura 2.1 - Tipos de enchimentos testados: a) Splash, b) Trickle e c) Filme corrugado (Kloppers

2004)20
Figura 2.3 – Diagrama esquemático da torre experimental (Naphon, 2005)20

Figura 2.2 - Torre de Resfriamento de contato indireto e suas variáveis (Facão & Oliveira

Petruchik (2005))23
Figura 2.5 – Diagrama esquemático da torre de resfriamento experimental (Elsarrag 2006)26
Figura 3.1 – Carta Psicrométrica (Costa, 2006)29
Figura 3.2 – Componentes da carta psicrométrica (Costa, 2006)30
Figura 3.3 – Diagrama psicrométrico mostrando lei da linha reta (Barros, 2005)30

Figura 2.4 – Velocidade do ar versus umidade relativa para temperatura da gota de 10ºC. Curva 1 para temperatura de entrada do ar de 25ºC, curva 2 - 20ºC, curva 3 - 15ºC (Fisenko &

http://w.mspc.eng.br/termo/termod0410.shtml)31
Figura 4.1 – Vista geral da torre32
Figura 4.2 – Bacia de água fria e tubulação da água de reposição(make up)32
Figura 4.3 – Bóia de controle de nível da bacia de água fria3
Figura 4.4 – Aspersores de água quente3
Figura 4.5 – Reservatório de água quente3
Figura 4.6 – Válvula esfera para regulagem da vazão34
Figura 4.7 – Exaustor 40cm da VENTISOL para circulação de ar (Costa, 2006)34
Figura 4.8 – Duto de exaustão da torre35
Figura 4.9 – Chapas de acrílico de 4mm para fechamento da torre35
Figura 4.10 – Bombas centrífugas para a recirculação de água35
Figura 4.1 – Esquema de determinação da vazão de água da torre (Costa, 2006)36

Figura 3.4 – Diagrama psicrométrico para uma torre de resfriamento (Fonte: Figura 4.12 – By-pass para controle da vazão e termopar da água quente..................................36

Figura 4.13 – Medição de temperatura da água fria37
Figura 4.14 – Medição de temperatura da água de reposição (make up)37
Figura 4.15 – Válvula esfera de fechamento da desconcentração (blowdown)37
Figura 4.16 – Termopar para medição da temperatura de bulbo úmido (TBU)38
Figura 4.17 – Termopar Tipo T para medição do ar de insuflamento da torre38
Figura 4.18 – Termopar tipo K para medição do ar de exaustão38
Figura 4.19 – Termo higrômetro da OMEGA para medição da umidade relativa39
Figura 4.20 – Alicate amperímetro39
Figura 4.21 – Esquema de determinação da vazão de ar da torre (Costa, 2006)40
Figura 4.2 – Potenciômetro (Dimmer) para controle da vazão de ar40
Figura 4.23 – Resistência elétrica para aquecimento dágua41
Figura 4.24 – Controlador eletrônico digital41
Figura 4.25 – Sistema de Aquisição de dados42
Figura 4.26 – Borneira para conexão dos termopares42
Figura 4.27 – Tela do supervisório feita no LabView (Costa, 2006)42
Figura 4.28 – Enchimento Fio Cruzado45
Figura 4.29 - Enchimento Fio Solto45
Figura 4.30 - Enchimento Gargalo 146
Figura 4.31 - Enchimento Gargalo 246
Figura 4.32 – Caracterização do enchimento fio cruzado47
Figura 4.3 – Caracterização do enchimento gargalo 147
Figura 4.34 – Caracterização do enchimento gargalo 248
Figura 4.35- Enchimento corrugação vertical industrial48
Figura 4.37 - Esquema do protótipo da torre de resfriamento49
Figura 4.38 – Esquema de medições da torre50
Figura 4.39 - Planilha eletrônica com as medições realizadas51
Figura 5.1 – Teoria da película mostrando as principais resistências (Kern, 1950)53
Figura 5.2 – Volume de controle do enchimento em contra corrente (Costa, 2006)58
Figura 5.3 – Volume de controle para o ar da torre60
Figura 5.4 – Fluxograma de funcionamento do programa. (Moreira, 1999)61

xiv

vazões de ar para uma vazão de água de 0,29 l/s62

Figura 6.1 – [FIO CRUZADO] Resfriamento (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,2 l/s62

Figura 6.2 – [FIO CRUZADO] Resfriamento (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,19 l/s63

Figura 6.3 – [FIO CRUZADO] Resfriamento (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,29 l/s63

Figura 6.4 – [FIO CRUZADO] Aproximação (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,2 l/s64

Figura 6.5 – [FIO CRUZADO] Aproximação (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,19 l/s64

Figura 6.6 – [FIO CRUZADO] Aproximação (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,29 l/s65

Figura 6.7 – [FIO CRUZADO] Efetividade (%) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,2 l/s65

Figura 6.8 – [FIO CRUZADO] Efetividade (%) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,19 l/s6

Figura 6.9 – [FIO CRUZADO] Efetividade (%) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,29 l/s6

Figura 6.10 – [FIO SOLTO] Resfriamento (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,2 l/s67

Figura 6.1 – [FIO SOLTO] Resfriamento (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

xv

vazões de ar para uma vazão de água de 0,29 l/s68

Figura 6.13 – [FIO SOLTO] Aproximação (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

vazões de ar para uma vazão de água de 0,2/s68

Figura 6.14 – [FIO SOLTO] Aproximação (ºC) versus temperatura (ºC) - Comparação entre

(Parte 1 de 7)

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