Dissertação de Mestrado

O desempenho térmico de uma torre de resfriamento é de vital importância nas unidades industriais e pequenos desvios em relação às especificações de projeto podem provocar, muitas vezes, implicações graves no funcionamento e na economia de um processo. No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo fenomenológico de transporte de massa e calor numa torre de resfriamento de água, do tipo evaporativo, em contracorrente ou correntes cruzadas. A metodologia proposta permite a caracterização ou a comprovação do desempenho de uma torre em operação, a partir de um número reduzido de ensaios (em torno de dez), medindo-se variáveis de processo de fácil monitoramento, inclusive para um sistema de instrumentação industrial. A validação do modelo desenvolvido foi realizada através da comparação dos resultados previstos e medidos numa planta piloto, obtendo-se boa concordância. Em seguida, o modelo da torre de resfriamento foi acoplado ao modelo global do sistema, com todas as interações hidráulicas e térmicas e verificado experimentalmente. Na parte final do trabalho, desenvolveu-se um modelo de otimização do sistema de resfriamento, com o objetivo de minimizar os custos operacionais envolvidos. Após a verificação do modelo, realizou-se o estudo de alguns casos de operação ótima. Observou-se que, para atender perturbações na demanda térmica de processo, os recursos operacionais mais dentre os estudados são, nessa ordem, o aumento da vazão da água de recirculação, o aumento da vazão do ar e finalmente a remoção provocada da parte da água de retorno à torre com a respectiva reposição.

The thermal performance of a cooling tower is of vital importance in industrial plants and small deviations from design specifications may cause serious implications on the operation and economy of a process. In the present work, a phenomenological model of mass and heat transfer for an evaporative cooling tower for both counter flow and cross flow types was developed. The proposed methodology can be used for characterization or corroboration of thermal performance of an operational cooling tower. The required number of experiments is relatively small (around ten) and the follow up of the main process variables can be performed through an ordinary industrial instrumentation system. The validation of the developed model was accomplished through the comparison of the predicted values and the measured ones from a pilot plant and they showed good agreement. Afterwards the cooling tower model was coupled to an overall system model with all hydraulic and thermal interactions considered and it was verified experimentally. In the final part of this work, an optimization model for the minimization of operational costs was developed. The model has been verified against error propagation. The model application in actual operational cases has been performed. It has been showed that in order to comply with select process disturbances, the process variables to be modified are, in order of application, increase of water circulation flow, the increase of air flowand at last the removal of some returning water into the tower with its respective make up.