COMO AS CARGAS TÉRMICAS AFETAM A EFICIÊNCIA DA TORRE DE ARREFECIMENTO EVAPORATIVO.














Figura 1. Torre de arrefecimento típica
Esta é a Parte I de uma série de quatro partes sobre estratégias de poupança de energia para torres de arrefecimento evaporativo.

As Torres de arrefecimento evaporativo são normalmente concebidas para proporcionar o arrefecimento adequado necessário para o processo quando a produção e as condições externas estão no seu máximo. Quando a carga de calor não está no seu fluxo máximo de ar, ou água da torre pode ser reduzida e energia pode ser economizada.


 Figura 1. Torre de arrefecimento típica
Esta é a Parte I de uma série de quatro partes sobre estratégias de poupança de energia para torres de arrefecimento evaporativo.
A operadores de motores de vapor atrás do século descobriram que poderiam melhorar a eficiência energética através da adição de um permutador de calor sobre a quitação vapor. A idéia era a fluir para o mar ou rio de água através do trocador de calor abaixando a temperatura de vapor e reduzir a taxa de compressão do motor a vapor. Isso funcionou bem para aplicações marítimas, mas era demasiado caro para sistemas baseados em terra, onde a única fonte de água disponível era de um município, como aparentemente o advento do medidor de água precedeu o motor a vapor. As torres de arrefecimento evaporativo foram inventados para proporcionar um funcionamento eficiente motor a vapor terrestre recapturando a grande maioria da água utilizada pelo trocador de calor.
Torres de Arrefecimento 101
Em geral, torres de resfriamento evaporativo são usados ​​para resfriar água de processo por meio de evaporação. A Figura 1 mostra uma torre de fluxo cruzado típico de arrefecimento evaporativo. A capacidade da bomba de água de alta temperatura do processo que a água entre no topo através de bicos. Os bicos dispersar a água sobre uma grande área de superfície conhecido como o preenchimento. A única função de preenchimento é eficaz para retardar a água atingir o fundo da torre e proporcionar mais tempo para o ar para interagir com a água do processo. A gravidade faz com que a água lentamente para fazer o seu caminho através do enchimento enquanto uma ventoinha força o ar através do percurso da água até atingir o fundo da torre (bacia). O ar que passa através da torre faz com que alguma da água e evapora-se para dar o calor. Para cada libra de água que evapora, cerca de 1.000 BTUs são removidos. O ar deixa a torre carregado de humidade e mistura-se com a atmosfera. Qualquer água que evapora é composta por um sistema de medição de água doce localizado na bacia de água fria. A torre de fluxo transversal mostrada na ilustração é muito comum. Embora existam muitas variações, como estática (sem ventilador), contra-fluxo e outros, o traço comum é o arrefecimento da água de processo usando a evaporação.
Estratégia Torre de Controle de otimização de arrefecimento
As torres de arrefecimento evaporativo são normalmente concebidos para proporcionar o arrefecimento resfriamento adequado necessário para o processo quando a produção e as condições externas estão no seu máximo. Este é o único momento em que as necessidades de arrefecimento do processo, na verdade, a capacidade de corresponder a torre. Isto significa que em todas as outras vezes a torre tem uma capacidade maior do que a carga de calor cartão. Como você pode perceber, a grande maioria do tempo, quer o fluxo de ar ou água da torre de resfriamento evaporativo pode ser reduzido e energia pode ser salvo. Em muitos casos, os proprietários das instalações rapidamente adotar a ideia de diferentes velocidades do ventilador, pois esta é uma correção relativamente fácil. Em alguns casos, variando a velocidade da bomba tem o potencial para economizar ainda mais energia, mas isso deve ser feito com cautela.
A pergunta sempre se resume ao que é a melhor estratégia e quanto vai poupar? Para responder a esta questão, há quatro variáveis-chave que devem ser compreendidos:
Carga de calor 1. Processo
2. As Leis de Afinidade
3. Ciência básica do fluxo de água

4. Psychrometrics

Tipos de Cargas de Arrefecimento Torre de calor
 As Cargas calor de processo podem ser classificados em dois modos diferentes, o mais simples é aquela que deriva nenhum benefício de energia a partir do abastecimento de torre de água para o processo estar a uma temperatura mais baixa do que a sua conceção máxima, caso em que a torre tem um ponto de ajuste fixo sobre a temperatura da água de alimentação. Em outras palavras:
Potência total = ventilador + bomba
A carga de calor de processo mais complicado é uma aplicação onde a eficiência de energia no processo é significativamente melhorado através da redução da torre de arrefecimento temperatura da água de alimentação por evaporação até um certo ponto - como o nosso exemplo anterior de um sistema de motor a vapor ou de refrigeração, em que a parte inferior da torre a temperatura da água de alimentação reduz a taxa de compressão, o que resulta em menor consumo de energia. Na maioria dos casos, a energia necessária para o processo é muito maior do que o ventilador torre e bomba combinada. Nestes casos, faz sentido usar mais torre de energia para alcançar uma baixa temperatura da água torre de abastecimento porque a melhoria na utilização da energia do processo é maior. Isso faz com que a otimização um pouco mais complicado, porque agora a potência total do processo inclui:
Potência total = processo + bomba + ventilador 
Uma vez que o poder processo muda dependente do que acontece com o ventilador torre e bomba, é literalmente a diferença entre malabarismo três bolas versos dois. Nestes tipos de aplicações o objetivo é o de assegurar sempre que a soma do poder do processo, a bomba e ventilador são ideais em todos os momentos.

Medição das Carga Térmica na Torre de Arrefecimento








Figura 2. Pressão curva de fluxo gota através de um permutador de calor
O efeito que a carga de calor ou carga térmica do processo tem sobre a torre de arrefecimento  evaporativo começa com uma equação muito simples:
BTU / Hr. = X 500 X GPM TD
GPM é galões por minuto de água que atravessa o permutador de calor de processo de arrefecimento, enquanto TD é a diferença de temperatura da água que entra e que sai do permutador de calor. O fator 500 é uma constante composta de a quantidade de libras por galão de água (cerca de 8,33), o calor específico da água (1) e 60 minutos para converter horas. Portanto 8.33 x 1 x 60 = 499,8 ou cerca de 500. A coisa agradável sobre a água é que, ao contrário do ar, a densidade não muda muito em temperaturas normais e tem um calor específico de 1 BTU / lb. (o que significa que é preciso 1 BTU para elevar a temperatura de 1 libra de 1 grau F.). No entanto, algumas torres de executar quando a temperatura está abaixo de zero, requerendo anti-congelante (glicol) para ser adicionado à água. Dependendo do fabricante, anti-congelante, bem como a sua percentagem na água, ele não pode pesar 8,33 libras por galão e também têm um calor específico ligeiramente diferente. Por exemplo, se a mistura de água e glicol pesa apenas 92 por cento, tanto quanto água (referida como a gravidade específica) e tem um calor específico de 0,96 BTU / lb. em seguida, o cálculo seria:
(8,33 X 0,92) = 7,66 Gal / lb. X 0,96 Sp. Ht. X 60 = 441,4
Então, em vez dos 500 que usamos como uma constante o novo valor seria de aproximadamente 441.
Tomando-glicol fora da equação, vamos dizer que está a refrigerar um forno com água que entra em 78 graus F e deixando a 85 graus F utilizando 100 litros por fluxo minutos. Qual seria a carga de calor? Utilizando a fórmula de GPM x TD x 500 rendimentos:
100 X (85-78) torna-se 100 x 500 x 7 x 500 = 350.000 Btu / Hora.
Por conseguinte, a carga de calor no forno é 350.000 Btu / Hora.
Usando este mesmo exemplo, o que aconteceria se o fluxo alterado para 90 litros por minuto e a carga de calor permaneceu constante? Se você disse que a diferença de temperatura iria mudar, você está correto. Então, agora nós recalcular e encontrar o novo diferença de temperatura.
A fórmula é BTU por hora. / (GPM X 500), que se torna 350.000 / 90 X 500 = 7,8 graus F. Assim, a redução da taxa de fluxo em 10 por cento aumenta a diferença de temperatura de 0,8 graus F.
Então, como podemos determinar o que a carga de calor do processo é se nenhum medidor de vazão existe?Muitas vezes, os fabricantes de permutador de calor que se relacionam fornecer tabelas fluxo de queda de pressão, como mostrado na Figura 2. Com a instalação de medidores de pressão em ambos os lados de entrada e saída do permutador de calor pode converter a diferença de pressão a taxa de fluxo para obter uma estimativa aproximada de o fluxo.
Por exemplo, um permutador de número de modelo B-E2209 calor (linha amarela), com uma queda de pressão de 10 pés de coluna de água, a taxa de fluxo seria um pouco mais de 1100 GPM. Se os seus calibres lido em lbs. por sq. Polegadas (PSI), então isso seria o equivalente a (10 / 2.31) em torno de queda de pressão de 4,4 PSI uma vez que cada PSI = 2,31 pé se o processo usa água sem glicol.


 E se a Aplicação na Torre de arrefecimento usar Glicol?
Se a mistura contém glicol, multiplicar 2,31 vezes a gravidade específica para obter a conversão. Por exemplo, se uma aplicação com glicol tem um peso específico de 90 por cento (o que significa que pesa 90 por cento, tanto quanto água) a conversão seria 0,9 X ou 2,31 2.079. Portanto:
10 / 2,079 = 4,81 PSI
 E se não há uma mesa de queda?
Se nenhuma tabela existir, as suas opções são: ou instalar um medidor de vazão, que é o que eu recomendo ou alugar um bom medidor de ultrassom portátil. Se um medidor portátil é usado para determinar o fluxo, montar permanentemente medidores de pressão nos lados de entrada e saída do permutador de calor e desenvolver a sua própria queda de pressão ao fluxograma dentro da faixa de fluxo adequado. Isto vai servir para ajudar os operadores futuras monitorizar a diferença de pressão através do permutador de calor e ter uma ideia aproximada se o fluxo é na gama correta. Enquanto você está nisso, instalar qualidade que entram e saem termômetros, pela mesma razão.
 É uma espécie de Ton ...elada
Um termo comum usado em especificando a capacidade de remoção de calor em torres de arrefecimento é toneladas de arrefecimento. Nos primeiros anos de refrigeração, uma boa parte dos pedidos foram dirigidos para fazer gelo. Para aqueles de vocês não tem idade suficiente para lembrar, isso foi antes de a maioria das pessoas tinha geladeiras elétricas e mais todos tinham refrigeradores. Eu estou apenas adivinhando, mas os vendedores de equipamento de refrigeração na época, provavelmente, a mais fácil de dizer aos clientes quantas toneladas de gelo seu equipamento poderia produzir um dia em vez de explicar o que é um BTU era. 
Uma tonelada é, por conseguinte, com base na quantidade de calor necessária para converter a água em uma tonelada de gelo (2.000 libras) em 24 horas. Uma vez que cada libra de água convertida em gelo leva 144 BTU, a fórmula é de 2.000 x 144 = 288.000 BTU. Portanto uma tonelada de refrigeração é igual a 288 mil BTU / dia ou 12 mil BTU / Hr. ou 200 BTU / Min. ou, se você gosta, 105120000 BTU / Yr.
Claro frigoríficos substituídos rapidamente a geladeira e ele seguiu o caminho da máquina a vapor. Quando isso aconteceu, a necessidade de fábricas de gelo também diminuiu. O que foi deixado para trás foi o termo "toneladas de refrigeração", e até hoje ainda é um termo comum principais fabricantes usam na América do Norte para descrever a capacidade de refrigeração de equipamentos de refrigeração. Normalmente, quando os fabricantes de equipamentos de refrigeração falar a linguagem de toneladas, na maioria das vezes referem-se à quantidade de hora em hora, que é 12.000.
Novamente, Estou especulando, mas a torre de resfriamento evaporativo vendedores got no ato porque os engenheiros de refrigeração percebeu que fábricas de gelo poderia funcionar mais eficientemente se eles usaram água de refrigeração sistemas de refrigeração. Agora eu suponho que o vendedor de torres não querem estar a explicar aos clientes o que é um BTU. O problema é que, apesar de os sistemas de refrigeração removerem um 12.000 BTU / h. podem criar gelo, houve ineficiente quantidade adicional de calor adicionado no processo, o compressor de refrigeração. Essa ineficiência significava que torres de arrefecimento não só precisa remover o calor adicionado pelo gelo, mas o compressor também. Então, novamente, eu estou supondo, mas a torre vendedor provavelmente fez o que qualquer bom vendedor faria - alterar os números. 
Assim, no processo da torre de uma tonelada não é de 12.000 BTU / h. em vez disso, é de 15.000 BTU / h. com as adicionados 3.000 BTU para remover o calor do compressor. 
Assim, quando um fabricante diz que a torre é avaliada em 3 mil toneladas, que significa:
 3 X 15.000 = 45.000 BTU / Hr.
Usando a nossa fórmula de BTU / Hr. = X 500 X GPM TD, quantos GPM por tonelada seria necessário para reduzir o arrefecimento da torre de água de 95 graus F a 85 graus F para igualar uma torre tonelada?
Uma vez que uma tonelada torre de arrefecimento é igual a 15.000 BTU / h.
A fórmula é:
GPM = 15.000 / (500 x (95-85)) = 15.000 / (500 x 10) = 15.000 / 5.000 = 3 GPM
Portanto, uma torre de resfriamento evaporativo com uma diferença de temperatura de 10 graus entre a torre de entrada e saída de água requer 3 GPM por tonelada.
Agora que temos uma compreensão básica de cargas de calor, leia "Parte II: Como Mudanças no caudal afetam a eficiência da Torre de Arrefecimento", no qual discutiremos a evaporação nas torres de resfriamento e bombas.



PARTe II:
como mudanças no caudal AFETa a eficiência na torre de arrefecimento JULY 14, 2015



By John Pitcher
This is Part II of a four-part series on the optimization of evaporative cooling towers. Part I of this series discussed the basics of cooling towers and how process heat loads work, including the amount of water flow needed based on the heat load needs. Here we will discuss how to calculate the effects of changing flow rates and their impact on cooling tower efficiency, particularly the efficiency of fans and pumps.
 From Here to Affinity
This may sound a bit earth shattering, but if a pump or fan rotates at a slower speed, it will move less air or water than it would at a faster speed. You might ask, how much less? The answer is simple, for every percent the rotation (RPM) changes, theoretically the flow changes the same amount. The formula is expressed in this way:
For Pumps: RPM 1 ÷ RPM 2 = GPM 1 ÷ GPM 2
and
For Fans: RPM 1 ÷ RPM 2 = CFM 1 ÷ CFM 2
Did you notice that the only thing I did was switch the way the quantities of air and water are measured? Air is often measured in CFM and water in GPM. It doesn’t matter if you’re talking CFM, GPM, Cubic Meters per Second, Milliliters Per Hour, etc., the Affinity Laws really don’t care. So if you change the speed 50 percent, you change the flowrate 50 percent, subject to static head, a consideration that is beyond the scope of this article.
So, consider this scenario: Let’s assume we have a 40 horsepower pump running at 3,600 RPM with a flowrate of 250 Gal/Min and a pressure of 55 PSI. After performing our heat-load calculations and considering static head, we determine that we can reduce the flow rate to 125 GPM at a motor speed of 2,500 RPM. What would be the new pressure and horsepower?
The Affinity Laws provide us a mathematical relationship between RPM, pressure and horsepower. (They can also help us understand things like what pump impeller diameter or pulley size for a fan we need in order to get a certain flow). The Affinity Laws specify that speed, flow and even pulley diameter are all proportional to each other. This means that a percentage change to one of these values causes an exact amount of percentage change in the others. In this case, a speed change of around 30 percent also causes a flow rate change of around 30 percent.
Although speed and flow rate are proportional to each other (subject to static head), this is not the case with pressure and horsepower. When flow and speed change, a much larger change happens in both pressure and horsepower.
Going back to our example, our pump pressure at full speed (3,600 RPM) is 55 PSI. Now that our RPM is reduced to 2,500, what is the new pressure?
According to the Affinity Laws, the pressure is the square of RPM ratio therefore:
(RPM 1 ÷ RPM 2)² = Pressure 1 ÷ Pressure 2
So:
(3600 ÷ 2500)² = 55 ÷ ?
By rearranging the equation we get:
Pressure 2 = Pressure 1 ÷ (RPM 1 ÷ RPM 2)²
Or:
Pressure 2 = 55 ÷ (3600 ÷ 2500)²
Since 3600 ÷ 2500 = 1.44
We next square 1.44; (1.44²) = 1.44 X 1.44 = 2.0736
Now our equation becomes:
Pressure 2 = Pressure 1 ÷ (2.0736)
Or:
55 ÷ 2.0736 = 26.52 PSI
So the new pressure would be roughly 26.5 PSI. You can see we have a much greater ratio of change in pressure than we did with RPM. Although the RPM only changed about 30 percent, the pressure changed by over 50 percent.
Once again, it does not matter what units of measure, whether feet of water column, BAR or whatever the ratio of change, the formula is still the same.
What’s the Big Deal?
As much fun as it may be to adjust the speed and pressure of pumps and fans, what we’re really trying to do is save money, and that brings us to horsepower. The really good news is that horsepower is the cube of RPM; so if you thought the ratio change was impressive with RPM versus pressure, wait until you check out how much it reduces horsepower. Remember that 40 horsepower motor we started out with? By reducing the RPM from 3,600 to 2,500; our new horsepower is:
(RPM 1 ÷ RPM 2)³ = Horsepower 1 ÷ Horsepower 2
By rearranging the equation we get:
Horsepower 2 = Horsepower 1 ÷ (RPM 1 ÷ RPM 2)³
Once again the ratio of 3,600 ÷ 2500 = 1.44
(1.44)³ = (1.44 X 1.44 X 1.44) or roughly 2.986
So:
40 ÷ 2.986 = 13.4 Horsepower
 Wow! A 30 percent decrease in RPM results in a little more than 66 percent decrease in horsepower.
For energy-saving purposes, how much energy did we just save? Since theoretically each horsepower represents around 746 watts our reduction is (40-13.4) = 26.6 then times 746 = 19,843 watts or 19.943 kilowatts or, if you like, the equivalent of around 200 100-watt light bulbs.
So summing it up, by reducing the flow and RPM by around 30 percent, we reduce pressure by around 50 percent, and the horsepower and the energy we use by around 66 percent.
It should be obvious, but it’s still worth mentioning … As wonderful as the savings were due to the tremendous horsepower reduction by reducing the flow rate, the opposite occurs when you go the other way. For example, if all of the sudden you realize that you need more flow than what was designed, the horsepower must then be increased at a substantially greater ratio than the flow.
Lastly, it’s also worth mentioning that the actual savings by reducing speeds of the motor will usually be slightly less than the theoretical values shown here. This is because as the speed changes on a fan or pump, the efficiency curves change as well. This change will alter the calculations a little bit, and energy savings will usually be slightly less than calculated.
Overall, you can understand why variable speed drives are popular. It is almost like a free lunch because for every amount the flow is reduced, a far greater percentage of the horsepower and energy is also reduced. This is the reason why installing variable speed drives should be considered for any evaporative water tower optimization.
In Part 3 we will discuss psychometrics and how they apply to evaporative cooling towers.



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Contacto: José Garcia Araújo

Tecmer,Lda 
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