Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
1. Processo de Umidificação
1.1 Umidificação
A umidificação é uma operação inversa a da secagem. Ela pode ser usada
para controlar a umidade de um ambiente, ao se promover a evaporação da água para
o ar. Um uso importante desta operação é realizado no equipamento conhecido como
torre de resfriamento de água (Figura 1), de onde a água sai fria, se aquece resfriando
produtos da planta industrial e retorna a torre de resfriamento, fechando o ciclo. Na
torre, a água quente é pulverizada e entra em contato com ar succionado por
ventiladores: uma pequena parcela da água se evapora e sai junto com o ar,
permitindo o resfriamento do restante da água. Para manter constante a vazão da
água de resfriamento, uma vazão de água de reposição é injetada para compensar as
perdas da água evaporada.
Figura 1 – Representação esquemática de uma torre de resfriamento de água.
Ar e água são colocados em contato, de maneira que ocorra evaporação
espontânea. A água é fornecida ao painel evaporativo desde sua parte superior e
desce por sua superfície altamente absorvente molhando-o por completo. O ar então
passa através dos canais do painel entrando em contato com a sua superfície
molhada de forma turbulenta, propiciando a evaporação.
O processo de evaporação então resfria o ar ao mesmo tempo em que o
umidifica.
2. Torres de Resfriamento
As torres de resfriamento modernas são classificadas de acordo com o
processo de fornecimento de ar para a torre. Todas possuem um agrupamento de
recheio com linhas horizontais para proporcionar uma área de contato entre o ar e a
água.
1
Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
2.1 Torres com aspiração de ar mecânica
Nas torres com aspiração de ar mecânica, o ar é fornecido em qualquer um dos
dois modos indicados na Figura 2a e 2b. Se o ar for aspirado para o interior da torre
através de venezianas no fundo e sob a ação de um ventilador situado no topo, diz-se
que a torres possui aspiração de ar induzida (2a). Se o ar for forçado por um ventilador
situado no fundo e se ele descarrega no topo, diz-se que a torre possui aspiração de
ar forçada (2b).
2b
2a
2b
Figura 2 - Esquema de torres com aspiração de ar mecânica.
A tendência para uso de torres com aspiração de ar induzida tornou-se mais
forte somente nos últimos dez anos, mas ela representa uma transição lógica, uma
vez que existem vantagens em seu uso que superam todas as outras, exceto no caso
de condições muito especiais.
No tipo com aspiração de ar forçada o ar entra através da abertura circular do
ventilador e, na torre, devemos providenciar um volume e uma altura não efetiva
relativamente grande para funcionar como espaço para entrada de ar. A distribuição
do ar é relativamente pobre, uma vez que o ar deve fazer um retorno de 90° quando
possui elevada velocidade. Já na torre com aspiração de ar induzida, o ar pode entrar
ao longo de um ou mais comprimentos inteiros da parede, de onde resulta que a altura
necessária para a entrada de ar é muito pequena.
Na torre com aspiração de ar forçada, o ar se descarrega a baixa velocidade
através de uma abertura maior sobre o topo da torre. Nestas condições, o ar possui
uma carga cinética pequena e tende a sedimentar-se no caminho da corrente de ar da
entrada do ventilador. Isto significa que o ar recente que entra é contaminado pelo ar
parcialmente saturado, o qual já passou através da torre, quando isto ocorre diz-se
que houve recirculação o que causa uma redução na capacidade de desempenho de
uma torre de resfriamento.
Já na torre de resfriamento com aspiração de ar induzida, o ar se descarrega
através do ventilador com uma velocidade tal que ele é transportado para cima pelas
correntes de ar naturais que impedem que o ar seja sedimentado na tomada de ar.
Contudo, nas torres com aspiração induzida, a queda de pressão ocorre no lado da
entrada do ventilador. Numa torre com aspiração de ar induzida, quando existe uma
grande velocidade de descarga, ocorre um carreamento ligeiramente maior ou uma
perda de arraste das gotas de água transportadas do sistema pela corrente de ar.
2
Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
2.2 Torres com circulação natural
A torre atmosférica se abastece de correntes de ar atmosférico. O ar flui
através das venezianas laterais em um sentido de cada vez, se deslocando com a
época do ano e outras condições atmosféricas. Em lugares expostos em que a
velocidade média dos ventos oscila entre 2,23 a 1,63 m/s a torre atmosférica pode
tornar-se mais econômica, e, quando os custos de potencia são elevados, ela pode
ser preferível mesmo com baixas velocidades do vento da ordem de 0,9 a 1,35 m/s.
Uma vez que as correntes atmosféricas devem penetrar pela largura inteira da torre,
as torres são construídas muito estreitas em comparação com outros tipos e devem
ser muito compridas a fim de proporcionar uma igual capacidade, comparando-se com
as de circulação de ar mecânico. As perdas por arraste ocorrem na parte lateral inteira
e são maiores do que as perdas de outros tipos.
As torres com aspiração de ar natural operam do mesmo modo que um forno
com chaminé, o ar é aquecido na torre através do contato com a água quente, de
modo que sua densidade diminui. A diferença entre a densidade do ar na torre e fora
dela produz um escoamento natural do ar frio que entra no fundo e a rejeição do ar
quente, menos denso, no topo. As torres com aspiração de ar natural devem ser altas
para que ocorra suficiente empuxo e devem ser possuir secções retas grandes por
causa da baixa velocidade com a qual o ar circula em comparação com a aspiração
mecânica. As torres com aspiração natural consomem uma maior potência de
bombeamento. Contudo, elas eliminam os custos da potência da ventilação e, em
alguns lugares, podem ser mais convenientes do que as torres atmosféricas. Para as
torres atmosféricas, a ênfase deve ser dada nas características do vento. Já nas torres
com aspiração natural, a consideração primordial consiste nas características de
temperatura do ar. Se, normalmente, o ar se eleva até uma alta temperatura durante o
dia, pelo menos em relação à temperatura de água quente a torre com aspiração
natural cessará de operar durante a porção quente do dia. O custo inicial e as cargas
fixas destas torres são bastante elevados, e parece que elas estão caindo em desuso.
Figura 3 - Esquema de torres de resfriamento com aspiração natural
O tanque de nebulização está intimamente relacionado com a torre de
3a
3b
Figura 3 - Esquema de torres de resfriamento com aspiração natural.
O tanque de nebulização está intimamente relacionado com a torre de
resfriamento com circulação natural, o qual consiste de diversos bocais de spray
orientados para cima (Figura 3b), os quais produzem a nebulização da água para o ar
sem produzir corrente de ar. Elas não operam com uma fonte ordenada de
3
Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
escoamento de ar e, portanto, não são capazes de produzir água com temperaturas
tão próximas à temperatura de bulbo úmido quanto às obtidas por torres de
resfriamento. O tanque de nebulização pode fornecer a solução mais econômica do
resfriamento da água quando a água deve ser resfriada num intervalo pequeno e sem
que seja necessário que ela atinja uma temperatura próxima de bulbo úmido. As
perdas por arraste nos tanques de nebulização são relativamente elevadas. As torres
com nebulização também são largamente empregadas. Elas se assemelham com as
torres atmosféricas, porém elas utilizam pouco ou nenhum recheio.
3. Partes internas de uma torre de resfriamento
Uma torre de resfriamento é essencialmente uma coluna de transferência de
massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as
duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e
do recheio da torre, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a
superfície de contato água-ar.
Se a água passa através de um bocal capaz de produzir pequenas gotas, uma
grande área de contato entre o ar e a água torna-se disponível. Uma vez que a
interface entre o ar e a água também é a superfície de transmissão de calor, o uso de
um bocal possibilita o atingir um desempenho considerável por metro cúbico de
contato no aparelho. Este é o principio do tanque de nebulização.
Então a função do recheio da torre é fazer aumentar a área disponível na torre
ou por meio do espalhamento do líquido através de uma área maior ou fazendo
atrasar o tempo de queda da área da gotícula através do aparelho. Nas torres de
difusão comuns, tais como as usadas em absorventes químicos, o recheio é feito por
meio de anéis de Raschig, selas de Berl, ou outros dispositivos que são muito
compactos e fornecem uma área sobre a qual o líquido se espalha produzindo a
exposição de uma película maior. Trata-se da área pelicular. Na torre de resfriamento
por causa das exigências de um grande volume de ar e pequena queda de pressão
permitida, costumamos usar lascas de madeira com seção reta triangular ou
quadradas espaçadas de tal modo a deixar a torre substancialmente desobstruída. O
agrupamento de madeira, ou recheio de uma tem por objetivo interromper a queda do
líquido. Embora o espaço livre entre as lascas adjacentes de recheio seja
relativamente grande, a projeção horizontal do recheio não permite que as gotas de
líquido caiam através da torre sem deixar de incidir repetidamente nas lascas
inferiores sucessivas. Alguma parte do líquido que atinge o topo da lasca se subdivide
em gotículas, porém uma parte maior flui em torno delas e dá origem a um
escoamento turbulento no fundo de modo a formar automaticamente novas gotas e
criar uma nova área de gota. A área nas partes laterais do recheio é análoga área da
película em absorvedores com recheio. Mais recentemente existe a tendência de
utilizarem-se pequenas lascas retangulares. Elas são consideravelmente mais baratas
para fabricar e instalar do que as de seção reta triangular e produzem quedas de
pressão menores.
a) Recheio triangular
b) Recheio retangular
Figura 4 - Esquemas de tipos comuns de agrupamentos de recheio para torres de
resfriamento.
4
Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
4. Funcionamento de uma torre de resfriamento
Na construção de torres de resfriamento costuma-se usar gotículas de um
tamanho tal que se pode garantir que as perdas de arraste não sejam maiores do que
1,5% da água total que circula na torre. Com o gasto de uma potência de ventilação
superior, esta perda pode ser reduzida para 0,10%.
Numa típica torre de resfriamento a água entra aquecida e o ar à temperatura
ambiente. Vamos nos ater nesta análise às torres que operam em contracorrente,
água descendo e ar subindo. À medida que desce, a água se resfria; o ar, à medida
em que sobe, se umidifica e aquece. Em algum ponto da torre a água líquida e o ar
igualam suas temperaturas: este é o “ponto de estrangulamento” (“pinch point”) da
torre; a partir deste ponto as temperaturas do ar e da água ficam muito próximas, ou
seja, é o ponto em que a torre pára de operar.
Numa torre de resfriamento, a principal contribuição para o resfriamento da
água é dada pela evaporação de parte dessa água que recircula na torre. A
evaporação da água - transferência de massa da fase líquida (água) para fase gasosa
(ar) - causa abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de
resfriamento. Isso ocorre porque a água para evaporar precisa de calor latente, e esse
calor é retirado da própria água que escoa pela torre de resfriamento. Vale lembrar
que a transferência de massa da água para o ar ocorre porque as duas fases em
contato tendem a entrar em equilíbrio. A evaporação de parte da água é responsável
por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre
ar e a água é responsável pelos outros 20% do resfriamento. Identifica-se então a
“força motriz” do processo de transferência de massa, isto é, a diferença entre a
umidade do ar a uma condição ideal de saturação à temperatura da água e a umidade
do ar na condição em que ele se encontra no fluxo principal na torre.
As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma
convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e
massa. O aumento das vazões de ar e água causa um aumento na turbulência, o que
favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado
ponto, quando as vazões de água e o ar tornam-se muito altas, o contato entre a água
e o ar torna-se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de água
pela corrente de ar ou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que
favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas
pelo tipo de recheio empregado.
A torre não pode ser resfriada abaixo da temperatura de bulbo úmido. A força
motriz para a evaporação da água é aproximadamente a pressão de vapor da água
menos a pressão de vapor que ela teria a temperatura de bulbo úmido. A água pode
ser resfriada somente até a temperatura de bulbo úmido e, em prática é resfriada até
cerca de 3 K ou mais abaixo desta. Apenas uma pequena quantidade de água é
perdida por evaporação no resfriamento de água. Uma vez que o calor latente da água
é cerca de 2300 kJ/kg, uma mudança típica de cerca de 8 K na temperatura da água
corresponde a uma perda por evaporação de 1,5%. Assim, o fluxo total de água é
considerado constante nos cálculos do tamanho da torre.
Em umidificação e desumidificação, o contato íntimo entre a fase gasosa e a
fase liquida é necessária para uma maior transferência de massa e de calor. A
resistência da fase gasosa controla a razão da transferência. Torres empacotadas são
utilizadas para proporcionar uma maior área de contato e para promover turbulência
na fase gasosa.
5
Operações Unitárias III – Engenharia de Alimentos / Unipampa
Profa. Elizangela G. de Oliveira
4.1 Bulbo seco e Bulbo úmido do ar
A temperatura de bulbo seco do ar é a própria temperatura do gás (o bulbo do
termômetro usado na medição do ar seco).
A temperatura de bulbo úmido é medida com o bulbo do termômetro envolto
com uma gaze umidificada com água. Por definição, é a temperatura atingida, em
regime permanente (não de equilíbrio termodinâmico), por uma pequena porção da
água, em contato com uma corrente contínua de ar, em condições adiabáticas (só há
troca térmica entre o ar e essa massa de água), desprezando os efeitos de radiação
nessa troca. A temperatura de bulbo úmido é menor ou no máximo igual em relação à
temperatura de bulbo seco. Isso ocorre porque, exposta a uma corrente de ar não
saturado (umidade relativa menor que 100%), parte da água presente na gaze
evapora e com isso, a temperatura abaixa. Para entender esse fenômeno de
resfriamento devido a evaporação, pode-se mencionar dois exemplos cotidianos.
Quando você sai da piscina tem uma sensação repentina de frio, pois vaporiza parte
da água impregnada na sua pele.
Quando você toma água guardada numa moringa de barro, ela é mais fresca,
pois como o barro é poroso, parte da água armazenada exsuda (transpira) pelas
paredes (a superfície externa da moringa parece “suada”), evapora no ar e com isso,
resfria a água da moringa.
4.2 Perfil de temperatura
Os perfis de temperatura e concentração em termos de umidade são
mostrados na interface água-líquido (Figura 5). O vapor de água difunde-se da
interface para a fase gasosa com uma força motriz na fase gasosa de (HI – HG) kg
H2O/kg de ar seco. Não há força motriz para a transferência de massa na fase líquida,
já que a água é um líquido puro. A temperatura é (TL – TI) na fase líquida e (TI – TG) na
fase gasosa. Calor sensível flui da massa líquida para a interface no líquido. Calor
sensível também flui da interface para a fase gasosa. Sendo, TI a temperatura na
interface água-ar, TL a temperatura da água, TG a temperatura do ar, Hi a umidade do
ar na interface e HG a umidade do ar na fase gasosa. Calor latente também parte da
interface no vapor de água, difundindo-se para a fase gasosa. As condições da Figura
5 ocorrem no topo da torre de resfriamento. Na parte mais baixa da torre de
resfriamento a temperatura da água é mais alta do que a temperatura de bulbo úmido
do ar, mas deve ser mais baixa que a temperatura de bulbo seco.
Figura 5 - Perfis de temperatura e concentração no topo da torre.
6