Sistema fechado úmido

No sistema fechado úmido é utilizada uma torre de resfriamento ou lagoa de resfriamento como dissipador de calor transmitido à água de resfriamento no condensador. Tanto na lagoa quanto na torre o processo de resfriamento é evaporativo, de modo que uma porcentagem da vazão em circulação é consumida.

Devido às mudanças propostas pela EPA, a utilização de sistema fechado vem aumentando nos últimos 60 anos nos Estados Unidos, como é apresentado na Figura 3.2. Na Figura 3.2 são contabilizadas apenas as termelétricas americanas com 100 MW ou mais de potência, sendo possível observar que entre 2000 e 2004 houve um pico de 201 sistemas fechados construídos.

Figura 3.2. Evolução dos sistemas de resfriamento em termelétricas nos Estados Unidos Fonte: Adaptado de DORJETS (2014)

A redução da captação de água pelo sistema fechado, em comparação ao sistema aberto, é da ordem de 95% (FLEISCHLI; HAYAT, 2014), o que reduz a vulnerabilidade da termelétrica quanto à escassez de água e aumento de temperatura da água de captação. No entanto, o consumo de água é superior ao consumo do sistema aberto, sendo aproximadamente 1% da vazão em circulação para cada 5,6 °C graus de redução da temperatura da água em circulação na torre (KEMMER, 1988).

3.2.1. Lagoa de resfriamento

As lagoas de resfriamento podem ser artificiais ou naturais. A água em circulação no condensador é descartada nas lagoas, sendo que o resfriamento ocorre através da transferência de calor da água para a atmosfera por processos de radiação, convecção, condução e evaporação (IAEA, 2012). A Figura 3.3 apresenta um esquema de uma lagoa de resfriamento.

Figura 3.3. Esquema de uma lagoa de resfriamento. Fonte: Adaptado de IAEA (2012)

A transferência de calor varia com as características do local (umidade do ar, temperatura, topografia, radiação solar, velocidade do vento). As lagoas são opções baratas (quando há disponibilidade de terreno), sendo possível resfriar até 5,5 °C da temperatura de bulbo úmido (com a utilização de sprays) (TURNPENNY et al., 2010).

No entanto, a eficiência da transferência de calor é baixa (KRENKEL; NOVOTNY, 1980), pois é necessário que haja uma grande área superficial (IAEA, 2012). Além disso, as lagoas não possuem proteção contra arraste pelo vento e contaminação por poeira. Uma maneira de aumentar a eficiência das lagoas é através da utilização de sprays que podem reduzir a área necessária em até 5% (KRENKEL; NOVOTNY, 1980).

As lagoas de resfriamento com spray podem ocupar uma área entre 10 e 20 vezes maior que a área ocupada por uma torre de resfriamento. No entanto, como os custos de instalação são bem menores que os custos da torre, seu uso continua viável (TURNPENNY et al., 2010). A Figura 3.4 apresenta a lagoa de resfriamento com sprays de uma termonuclear na Rússia.

Figura 3.4. Lagoa de resfriamento com sprays da termonuclear Novovoronezh. Fonte: ATOMINFO (2017)

3.2.2. Torre de resfriamento úmida

A partir das lagoas de resfriamento com spray surgiu a ideia da torre de resfriamento, que é um dissipador de calor mais complexo que as lagoas. As torres de resfriamento são grandes estruturas cujo princípio de resfriamento é a evaporação. Parte da água em circulação evapora ao entrar em contato com o ar ambiente, de modo que o restante da água em circulação é resfriado ao ceder calor no processo evaporativo (TURNPENNY et al., 2010). Na saída da torre, o ar encontra-se próximo da saturação, que dependendo das condições ambiente pode formar uma pluma visível, como apresenta a Figura 3.5.

Figura 3.5. Torres de resfriamento de tiragem natural de termelétrica a carvão no Reino Unido.

Fonte: FINANCIAL TRIBUNE (2016)

As torres de resfriamento são mais eficientes na transferência de calor que as lagoas de resfriamento ou que os sistemas de resfriamento seco. As torres captam uma vazão muito menor que o sistema aberto, sendo aproximadamente 97% menor que do sistema aberto (HAVEY, 2008). No entanto, o consumo devido à evaporação nas torres é maior em comparação ao sistema aberto, sendo esse cerca de 80% da vazão de reposição (CARNEY, 2011). Outra desvantagem do sistema fechado é a redução da eficiência da termelétrica, que varia entre 2 % e 5% em termonucleares (WOLRD NUCLEAR ASSOCIATION, 2017).

A transferência de calor ocorre por convecção e transferência de massa (resfriamento evaporativo), sendo a água o meio intermediário entre o calor rejeitado pelo condensador e a atmosfera (BLACK & VEATCH, 1996). O processo de transferência de calor se dá por calor sensível e latente, devido a:

 Evaporação de uma parte da água (responsável por 80 % da transferência de calor no processo de resfriamento) e,

 Aumento da temperatura do ar atmosférico devido a diferença de temperatura entre o ar e a água (responsável por 20 % da transferência de calor no processo de resfriamento) (GENSKOW et al., 2008).

O processo de resfriamento depende das condições climáticas do local de instalação da planta e, principalmente, da temperatura do ar e da umidade relativa. A temperatura de bulbo úmido é o menor valor teórico que a água em circulação na torre pode atingir. No entanto, esse valor é difícil de alcançar na prática, pois seria necessária uma superfície de contato entre os fluidos muito grande para a obtenção da máxima troca de calor (IAEA, 2012). A Figura 3.6 apresenta um esquema de uma torre de resfriamento.

Figura 3.6. Esquema de uma torre de resfriamento úmida de tiragem natural. Fonte: Adaptado de IAEA (2012)

As torres de resfriamento podem ser classificadas de acordo com a entrada de ar, sendo de tiragem natural quando utilizam apenas as correntes de ar ambiente ou de tiragem mecânica, quando utilizam ventiladores para aumentar a velocidade do ar. Além disso, existem torres de tiragem natural assistida com ventilação mecânica (fan-assisted natural draft) (ENEXIO, 2018b).

As torres de tiragem natural (torres hiperbólicas, torres atmosféricas) são estruturas grandes de madeira ou concreto, com formato hiperbólico, cuja movimentação de ar depende apenas da diferença da massa específica do ar ambiente e do ar úmido na torre (SENGES et al., 1979). A altura da torre é limitada por fatores estruturais e econômicos, podendo chegar a 200 m de altura (SPX COOLING TECHNOLOGIES, 2018). O formato hiperbólico permite maior resistência a correntes de ar externas e vibrações mecânicas (NAG, 2008).

As torres hiperbólicas trabalham com grandes volumes de água, sendo que a vazão em circulação pode chegar a valores entre 55,6 m³/s e 70 m³/s, sendo muito utilizadas em

termelétricas de grande porte, como as termonucleares (HENSLEY, 2009; SPX COOLING TECHNOLOGIES, 2018). Além disso, os custos de operação e manutenção dessas torres são mínimos, pois não possuem equipamentos que utilizam energia elétrica.

Para obter melhores resultados e para que operem com maior eficiência, é aconselhado que as torres hiperbólicas sejam instaladas (NAG, 2008):

 Em locais frios (baixa temperatura de bulbo úmido) com umidade relativa alta;

 Em locais em que a diferença de temperatura entre a água do condensador e a temperatura de bulbo úmido é alta;

 Em locais com inverno rigoroso.

Como desvantagens, tem-se que as torres hiperbólicas ocupam grandes áreas e possuem alto custo inicial (NAG, 2008). A eficiência da transferência de calor depende da velocidade do ar ambiente, pois não possuem ventiladores para aumentar o fluxo de ar para dentro da torre. Além disso, em locais com baixa temperatura e umidade relativa, ocorre a formação de plumas visíveis, que dificultam a visibilidade local (HENSLEY, 2009).

As torres naturais assistidas com ventilação mecânica são torres hiperbólicas que possuem ventiladores instalados próximos à base, como é apresentado na Figura 3.7.

Figura 3.7. Torre hiperbólica assistida com ventilação mecânica Fonte: SPX CORPORATION (2016)

O objetivo da instalação dos ventiladores é aumentar a velocidade do escoamento de ar, de modo a manter um fluxo regular de ar entrando na torre, o que reduz a necessidade de construir torres com grandes alturas. Essas torres podem ser utilizadas para vazões médias a alta, além poder serem utilizadas em sistemas híbridos (ENEXIO, 2018b).

As torres de tiragem mecânica podem utilizar um ou múltiplos ventiladores para obter a vazão necessária para atingir a transferência de calor desejada, de acordo com a carga térmica requerida pelo sistema (HENSLEY, 2009). Por essa razão, sua operação é estável e menos vulnerável às alterações sazonais, como as torres naturais (NAG, 2008). Além disso, essas torres são indicadas para locais com alta temperatura média e regiões áridas (HENSLEY, 2009).

As torres mecânicas são estruturas muito menores que as torres naturais, ocupando menor espaço e com menor custo inicial (NAG, 2008), podendo ser classificadas em torres de tiragem induzida ou tiragem forçada. A diferença entre os dois tipos de torre está relacionada à posição dos ventiladores: nas torres de tiragem forçada, o ventilador é localizado na base da torre, enquanto nas torres de tiragem induzida os ventiladores são localizados no topo da torre. Na Tabela 3.1 é apresentada uma comparação entre as torres de tiragem forçada e tiragem induzida.

Tabela 3.1. Comparação entre as torres mecânica, de acordo com a tiragem.

Torres de tiragem forçada Torres de tiragem induzida

Na entrada, o ar possui alta velocidade, enquanto na saída o ar possui baixa velocidade na saída. Assim, tem-se o aumento do risco de recirculação do ar na saída e redução da performance da torre.

Na saída, o ar possui velocidade entre 3 e 5 vezes maior que a velocidade de entrada, reduzindo a possibilidade de recirculação do ar saturado. A velocidade na entrada é em torno de 2 m/s.

O uso de ventiladores centrífugos demanda maior uso de energia elétrica.

Menor utilização de energia elétrica pelos ventiladores.

Maior risco de congelamento durante

invernos rigorosos. Melhor distribuição do ar ao longo da torre. Menor transmissão de barulho para o

ambiente externo (em comparação às torres induzidas).

Risco de corrosão dos ventiladores, devido ao contato com o ar úmido da saída.

Possibilidade de uso em ambientes internos ou ambientes fechados que proporcionem a separação dos fluxos de ar, reduzindo os riscos de recirculação.

Menor risco de formação de gelo nos ventiladores, devido à localização dos mesmos.

As torres de tiragem induzida são mais utilizadas em termelétricas (SENGES et al., 1979), sendo utilizadas tanto para pequenas vazões (em torno de 0,0009 m³/s) até grandes vazões (44 m³/s) (HENSLEY, 2009).

A classificação das torres quanto ao escoamento de ar pode ser feita em corrente cruzada ou contracorrente, conforme a Figura 3.8. Nas torres em contracorrente, o ar escoa verticalmente através do enchimento da torre a partir da base da torre, enquanto a água escoa paralelamente a partir do topo da torre. Nas torres em corrente cruzada, a água escoa verticalmente a partir do topo, porém o ar escoa perpendicularmente através do escoamento da água.

Figura 3.8. Da esquerda para a direita: torre de tiragem forçada, torre de tiragem induzida em contracorrente e torre de tiragem induzida em corrente cruzada.

Fonte: Adaptado de COOLING TOWER MAINTENANCE (2018)

As torres em contracorrente costumam ser mais altas que as torres em corrente cruzada, o que aumenta a potência da bomba de água de circulação e dos ventiladores. Além disso, o crescimento de algas é menor ou reduzido, pois essas torres são fechadas, impedindo a entrada da luz solar (HENSLEY, 2009). A Figura 3.9 apresenta uma torre em contracorrente.

Figura 3.9. Torre de resfriamento em contracorrente. Fonte: SPX COOLING TECHNOLOGIES (2016a)

Nas torres em corrente cruzada, não é necessária a utilização de sistemas de alta pressão para a distribuição de água, pois essas torres possuem bacias para o armazenamento de água quente localizadas na parte superior. Além disso, essas torres podem ser divididas em uma entrada de ar ou dupla entrada de ar, de acordo com o número de entradas na torre. As torres com dupla entrada costumam ser utilizadas em locais onde a direção do ar sofre bastante variação (HENSLEY, 2009). A Figura 3.10 apresenta uma torre em corrente cruzada.

Figura 3.10. Torre em corrente cruzada. Fonte: SPX COOLING TECHNOLOGIES (2016a)