BR112018074261B1 - Sistema de fornecimento de água para fornecer água de pré- resfriamento a um fluxo de ar que entra em um trocador de calor - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a sistema e método para economizar água para reduzir a quantidade de água necessária para resfriamento adiabático, incluindo o uso de um dispositivo de abrandamento e um dispositivo de osmose reversa, em que água de torneira, abrandada se necessário, é fornecida a um dispositivo de osmose reversa, e apenas água abrandada, água rejeitada de osmose reversa ou água abrandada combinada com água rejeitada de osmose reversa é fornecida aos bocais de aspersão para resfriamento, e a água pura de osmose reversa é armazenada e usada periodicamente para limpar as serpentinas, para inibir e/ou impedir corrosão dos sais dissolvidos e de outros sólidos na água de aspersão.
Description
[001] A presente invenção refere-se a resfriadores e condensadores de fluido resfriados com ar.
[002] Os trocadores de calor resfriados com ar, tais como resfriadores e condensadores de fluido, rejeitam o calor para a atmosfera. Esses dispositivos rejeitam o calor por aquecimento sensível do ar ambiente, portanto, a temperatura mais baixa que podem obter é alguma temperatura acima da temperatura de bulbo seco ambiente. Por uso de resfriamento adiabático, o ar ambiente pode ser resfriado a uma temperatura próxima da temperatura de bulbo úmido. Esse ar pré-resfriado é então usado para rejeitar o calor. Por uso de resfriamento adiabático, um trocador de calor por resfriamento com ar pode ser diminuído em tamanho (mais barato) ou pode resfriar a uma temperatura mais baixa (mais eficiente energicamente), ou alguma combinação dos dois.
[003] Há dois modos típicos nos quais o resfriamento adiabático é executado. Um modo é resfriar o ar com almofadas saturadas. Almofadas espessas são colocadas na entrada do trocador de calor resfriado com ar. Essas almofadas são saturadas com água. Quando o ar de chegada é puxado por essas almofadas, parte da água é evaporada e o ar é resfriado. Embora essas almofadas sejam de uso disseminado, apresentam várias deficiências. Para saturar inteiramente as almofadas, uma corrente pesada de água precisa passar pelas almofadas. A maior parte dessa água não é evaporada e é enviada para drenagem ou recirculação. O envio dessa água para drenagem é muito ineficiente, enquanto a recirculação requer outro sistema para tratar e periodicamente drenar a água. Adicionalmente, essas almofadas são feitas de um material que absorve água e têm uma expectativa de vida útil de apenas uns poucos anos, antes de precisarem ser substituídas. Além do mais, as almofadas são mantidas no local por volta de um ano, mesmo quando o resfriamento adiabático não é usado. As almofadas provocam uma resistência ao fluxo de ar e requerem uma maior potência do ventilador por quase todo o ano.
[004] O segundo modo típico de gerar resfriamento adiabático é por uso de bocais de formação de névoa. Os bocais formadores de névoa geram pequenas gotículas de água, que rapidamente se evaporam, desse modo, resfriando o ar. Os bocais formadores de névoa aspergem água a uma menor vazão do que a água escoa pelas almofadas saturadas, desse modo, não havendo qualquer necessidade para um sistema de recirculação, com menos água sendo usada. Os bocais não provocam qualquer resistência ao fluxo de ar, de modo que a potência do ventilador é mantida no valor mínimo. Um problema com os bocais formadores de névoa é que os minerais, que estão contidos na aspersão, devem passar pelas serpentinas, e esses minerais podem ser problemáticos. Em um sistema de almofadas, esses minerais ficam com um excesso de água, que é enviada pelas almofadas ou fica retida nas próprias almofadas.
[005] Para impedir formação de incrustação, particularmente, de carbonato de cálcio, água mole ou água abrandada deve ser usada com os bocais formadores de névoa. Se água dura for aspergida, incrustação pode se formar nos bocais e nas serpentinas. Para minimizar esse problema, muitos fabricantes limitam bastante o número de horas que os aspersores adiabáticos podem funcionar no ano. A formação de incrustação pode ser evitada por uso de água abrandada. O abrandamento substitui os cátions de valência +2 na água por sódio. Os sais de sódio são bastante solúveis e, desse modo, não formam incrustação. A preocupação com água abrandada é que todos os ânions, que estavam presentes na água dura, estão ainda presentes nas águas abrandadas. Esses ânions, particularmente, de cloretos, sulfatos e hidróxidos, podem ser muito corrosivos para as serpentinas e aletas. Isso é particularmente verdadeiro se os sais são deixados ficar nas serpentinas por um longo período de tempo. Para minimizar esses efeitos de corrosão, muitos fabricantes limitam o número de horas nas quais os aspersores adiabáticos podem funcionar por todo um ano com água abrandada.
[006] A solução para o funcionamento por muitas horas com um sistema de aspersão adiabática é usar água com baixo teor de minerais. Tipicamente, água de osmose reversa ("RO") é usada para esses sistemas de períodos longos de uso. Os sistemas de RO de baixo custo estão disponíveis, que podem proporcionar água de RO suficiente para operar uma célula a um custo razoável. Essas unidades de baixo custo operam com pressão de água doméstica, sem a necessidade para uma bomba de alta pressão separada. Esses dispositivos de RO devem ser alimentados com água abrandada para um maior tempo de vida útil das membranas. A RO vai remover a maior parte dos íons de sódio, bem como a maior parte dos ânions corrosivos. A água resultante é frequentemente menos corrosiva do que água de chuva para os materiais de construção do trocador de calor.
[007] Há problemas com o uso desses sistemas de RO de baixo custo para resfriamento adiabático. Um é que esses sistemas são ineficientes para uso com água. A tabela abaixo ilustra a saída de uma RO de alto volume e de baixo custo. Praticamente, 65% da água abrandada bruta é descartada para gerar 35% de água limpa.
[008] Outro problema é que ainda que uma única unidade não seja muito cara, essa única unidade pode proporcionar uma formação de névoa suficiente para apenas cerca de uma única célula; a maior parte das unidades vão ter 4 ou mais células, desse modo, requerendo múltiplas unidades de RO.
[009] Esta invenção proporciona um método de uso de água abrandada para resfriamento adiabático, sem limitar significativamente o número de horas de operação por ano. De acordo com a invenção, a água abrandada pode ser usada para proporcionar resfriamento adiabático por muitas horas, com uma descarga de osmose reversa "RO" periódica das serpentinas. Em outra modalidade da invenção, a corrente rejeitada de RO, da geração de água pura para a descarga de RO, pode ser combinada com água abrandada e usada para resfriamento adiabático, desse modo, usando a água rejeitada de RO para resfriamento em vez de descartá-la. Em outra modalidade, particularmente, para pequenas unidades, nenhuma água abrandada é usada diretamente. De acordo com essa modalidade, o sistema de resfriamento opera com água rejeitada de RO para a aspersão, enquanto armazenando a água purificada de RO ("água permeada de RO"). O sistema então muda para água pura de RO, com um fluxo adicional introduzido para limpeza da serpentina, enquanto a água rejeitada de RO é armazenada. Em ambas dessas modalidades, nenhuma água rejeitada de RO é descartada.
[0010] A Figura 1 é uma representação esquemática de acordo com uma primeira modalidade da invenção.
[0011] A Figura 2 é uma representação esquemática de acordo com uma segunda modalidade da invenção.
[0012] A Figura 3 é uma representação esquemática de acordo com uma terceira modalidade da invenção.
[0013] A Figura 1 ilustra uma modalidade da invenção. Nessa modalidade, água de torneira ou uma fonte de água diferente é enviada a um dispositivo de abrandamento 3. O dispositivo de abrandamento é apenas necessário se a água da fonte for moderadamente dura ou mais dura. O dispositivo de abrandamento opera por troca iônica para substituir os íons de cálcio e magnésio na água da fonte por íons de sódio. A água abrandada 5 é então alimentada a um dispositivo de osmose reversa 7 ("RO"). O RO 7 mostrado na Figura 1 é um dispositivo comum disponível comercialmente, que opera com pressão de água da fonte. Um sistema de RO mais complexo, com uma bomba de alta pressão, pode ser usado, mas esse tipo de sistema de RO é usualmente muito caro para um sistema adiabático.
[0014] A água rejeitada de RO 9, com minerais concentrados, é encaminhada ao tanque de armazenamento de rejeição de RO 11; a água permeada de RO 13 é encaminhada ao tanque de armazenamento de permeação de RO 15. Uma bomba de aspersão 17 é conectada para receber água do tanque de armazenamento de rejeição de RO 11 ou do tanque de armazenamento de permeação de RO 15, dependendo da posição das válvulas 14 e 16. A bomba de aspersão 17 proporciona um fluxo para os bocais formadores de névoa 19 para resfriamento. Quando da operação do tanque de rejeição de RO 11, os bocais 19 vão formar uma névoa com água contendo alto teor de minerais, mas não uma água formadora de incrustação, que vez que os minerais formadores de incrustação foram removidos por abrandamento. Alguns dos minerais podem se depositar nas serpentinas e aletas e, se isso for permitido, pode resultar em corrosão. Para impedir essa corrosão, água pura isenta de minerais (água permeada de RO) 13 é usada periodicamente para lavar a serpentina pela bomba de limpeza 21 removendo quaisquer minerais que possam ter se depositado nas aletas e serpentinas. Opcionalmente, parte dessa água permeada de RO 13 pode ser enviada aos bocais, para resfriamento adicional, pela válvula de abertura 14 e pela válvula de fechamento 16. Ambas a linha de bocais de aspersão 23 e a linha de limpeza de serpentina 25 podem ser configuradas com um sistema UV 27, para minimizar o potencial para o crescimento de bactérias patogênicas, tais como Legionellae. O sistema é também configurado para permitir a drenagem completa, quando fora de uso, para eliminar o risco de crescimento biológico em água estagnada ou de congelamento. Nesse projeto, 100% da água enviada ao RO 7 é utilizada para resfriamento ou lavagem da serpentina.
[0015] O sistema é também configurado para permitir a drenagem completa por meio das válvulas 14, 16 e 37 e do dreno 39, quando fora de uso, para eliminar o risco de crescimento biológico em água estagnada ou de congelamento.
[0016] A Figura 2 ilustra outra modalidade da invenção. Nessa modalidade, água de torneira ou água de fonte diferente é enviada a um dispositivo de abrandamento 3. O dispositivo de abrandamento 3 é apenas necessário se a água da fonte for moderadamente dura ou mais dura. O dispositivo de abrandamento 3 opera por troca iônica para substituir os íons de cálcio e magnésio na água da fonte por íons de sódio. A água abrandada 5 é então alimentada a um dispositivo de osmose reversa 7 ("RO"). O RO 7 mostrado na Figura 2 é um dispositivo comum disponível comercialmente, que opera com pressão de água da fonte. Um sistema de RO mais complexo, com uma bomba de alta pressão, pode ser usado, mas esse tipo de sistema de RO é usualmente muito caro para um sistema adiabático.
[0017] A água rejeitada de RO 9 é enviada a um tanque de armazenamento 29, no qual se combina com mais homogeneização 5. Essa água rejeitada de RO, abrandada, combinada 31 é usada para resfriamento por envio à bomba de aspersão 17. Uma vez que toda a água tenha sido abrandada, essa água não vai resultar em formação de incrustação nas aletas. Quando da operação do tanque de homogeneização e de rejeição de RO 29, os bocais 19 vão formar uma névoa de água com alto teor de minerais, mas não uma água formadora de incrustação, uma vez que os minerais formados de incrustação foram removidos por abrandamento. Uma parte dos minerais pode se depositar nas serpentinas e nas aletas e, se isso for permitido, pode resultar em corrosão. Para impedir essa corrosão, água pura isenta de minerais (água permeada de RO) 13 é usada periodicamente para lavar a serpentina.
[0018] A água permeada de RO 13 é enviada a um tanque de armazenamento pressurizado 33 por meio da bomba de baixa pressão 35, de 413685 Pa (60 psi). A pressão no tanque de armazenamento 33 pode ser mantida e/ou ajustada por meio da bexiga 41, interruptor de pressão 43 e bomba de baixa pressão 35. Em virtude do tanque de armazenamento 333 ser pressurizado, uma unidade de RO menor pode ser usada e ser operada à noite ou em outras horas em que o revestimento adiabático não seja necessário. Periodicamente, essa água permeada de RO 13 é usada para limpar as serpentinas por remoção de quaisquer minerais, que podem ter se depositado nas aletas e serpentinas.
[0019] Ambas a linha de bocais de aspersão 23 e a linha de limpeza de serpentina 25 podem ser configuradas com um sistema UV 27, para minimizar o potencial para o crescimento de bactérias patogênicas, tais como Legionellae. O sistema é também configurado para permitir a drenagem completa por meio das válvulas 37 e 38 e dos drenos 39, quando fora de uso, para eliminar o risco de crescimento biológico em água estagnada ou de congelamento. Nesse projeto, não apenas 100% da água enviada para a RO usada em resfriamento ou limpeza, mas menos sistemas ou unidades de RO menores são necessários, pois a água permeada de RO 13 é usada apenas para limpar as serpentinas.
[0020] A Figura 3 ilustra outra modalidade da invenção. Essa modalidade é similar àquela da Figura 2, exceto que a água rejeitada de RO 9 é enviada ao dreno 39. Por envio da água rejeitada de RO ao dreno 39, o sistema pode ser bastante simplificado, pois o tanque de armazenamento de água abrandada e de água rejeitada de RO 29 e a válvula de controle de flutuação 32 (Figura 2) podem ser eliminados. A desvantagem é que a água rejeitada de RO é descartada. Parte da água rejeitada pode ser recuperada, se a RO for operada quando a bomba de aspersão 17 for energizada. Por uso de uma bomba auxiliar 47 ou de uma válvula de aspiração e drenagem adicional 40, a água rejeitada de RO 9 pode ser combinada com a água abrandada 5 e usada para resfriamento.
[0021] O problema fundamental, que é corrigido por esta invenção, é a corrosão das aletas e serpentinas provocada por uso intenso de água abrandada. Para as capacidades de custo e de transferência térmica, alumínio e suas ligas são usados intensamente em trocadores de calor resfriados com ar. O alumínio é muito sensível ao pH, em ambos os seus níveis alto e baixo (anfotérico). Para proteção de corrosão, frequentemente, o alumínio é revestido, o que incorpora custo, reduz a transferência de calor e fica ainda sujeito à corrosão nos inevitáveis períodos sem revestimento. O alumínio é muito resiliente à corrosão aquosa em pH quase neutro. Se a água saindo do dispositivo de abrandamento não estiver próximo de pH neutro (5 a 8,5), então essa água deve ser ajustada em pH, antes de uso. Felizmente, a maior parte das águas usadas para resfriamento adiabático seguem essa orientação de pH.
[0022] O alumínio é também sujeito à corrosão por sais que tenham secado na sua superfície. A maior parte desses sais é higroscópica e vai absorver umidade suficiente da atmosfera, quando a umidade relativa for superior a 60%. Desse modo, pode ocorrer corrosão mesmo em condições aparentemente secas.
[0023] Outra modalidade desta invenção é um método para determinar quão frequentemente limpar a serpentina. A quantidade de água a ser jogada na bobina é relacionada tanto à quantidade de água, aspergida para revestimento, quando à quantidade de íons na água de aspersão. Por exemplo, uma célula resfriada com ar típica de dimensões de 12,7 cm (5') x 15,2 cm (6') vai requerer aproximadamente 150 litros/hora (40 galões por hora) de aspersão para resfriamento adiabático. A maior parte dos minerais na água vai passar pela serpentina, mas até 1% desses minerais pode se acumular nas serpentinas. Se a água contiver 500 ppm de sólidos dissolvidos, então 500 mg/litro x 150 litros x 1% = 750 mg vão ser depositados nas serpentinas e aletas a cada hora de operação de aspersão. O efeito corrosivo desses sais vai ser atenuado por uma descarga de água permeada de RO. Uma descarga de apenas 20 litros de água permeada de RO vai diluir essa contaminação superficial a 750 mg/20 litros = 37,5 ppm. Quanto menor esse valor, menos ataque de corrosão vai ocorrer. Um valor inferior a 100 ppm é improvável de representar um problema de corrosão. Para um resfriador de ar típico de dimensões de 12,7 cm (5') x 15,2 cm (6'), cerca de 20 litros (5 galões) são necessários para garantir que todas as superfícies recebam descarga. Com esse exemplo, descargas a cada duas horas e ao final do ciclo de resfriamento adiabático vão ser suficientes para minimizar a corrosão. Desse modo, por descarga com apenas 20 litros de água permeada de RO, 300 litros de água abrandada podem ser usados para resfriamento, sem ataque de corrosão significativo nas serpentinas e aletas.
Claims (6)
1. Sistema de fornecimento de água para fornecer água de pré-resfriamento a um fluxo de ar que entra em um trocador de calor, sendo que o sistema compreende: um dispositivo de abrandamento (3) de água configurado para receber água de uma fonte de água; um dispositivo de osmose reversa (7) configurado para receber água abrandada (5) do dispositivo de abrandamento (3) de água; um tanque de armazenamento de água permeada de RO (15) configurado para receber água permeada de RO (13) do dispositivo de osmose reversa (7); uma bomba de aspersão (17) configurada para fornecer água abrandada (5) a bocais de aspersão (19) direcionados ao fluxo de ar; uma bomba de descarga (21) configurada para fornecer água permeada de RO (13) do tanque de armazenamento de água permeada de RO (15) às superfícies externas das serpentinas do trocador de calor, o sistema de fornecimento de água compreendendo ainda um tanque de armazenamento de rejeição de RO (11) configurado para receber água de rejeição de RO (9) do dispositivo de osmose reversa (7); caracterizado pelo fato de que a bomba de aspersão (17) é configurada para receber água de resfriamento do tanque de armazenamento de rejeição de RO (11) para entrega aos bocais de aspersão (19).
2. Sistema de fornecimento de água, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema é encanado para permitir o fornecimento da água permeada de RO (13), no tanque de água permeada de RO (15), aos bocais de aspersão (19) pela bomba de aspersão (17).
3. Sistema de fornecimento de água, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tanque de água permeada de RO (15) é um tanque pressurizado.
4. Sistema de fornecimento de água, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma tubulação conectada ao dispositivo de osmose reversa (7) para fornecer água rejeitada de RO (9) a um dreno (39), e em que a bomba de aspersão (17) recebe água abrandada (5) diretamente do dispositivo de abrandamento (3) de água.
5. Sistema de fornecimento de água, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma bomba de água rejeitada de RO (47), conectada ao dispositivo de osmose reversa (7), para bombear água rejeitada de RO (9) à bomba de aspersão (17).
6. Sistema de fornecimento de água, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tanque de armazenamento de rejeição de RO (11) é ainda configurado para receber água abrandada (5) diretamente do dispositivo de abrandamento (3) de água, e em que a bomba de aspersão (17) é configurada para fornecer água combinada suavizada e água de rejeição de RO (31) do tanque de armazenamento de rejeição de RO (11) para os bocais de aspersão (19).
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