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FLUXO CRUZADO OU FLUXO EM CONTRACORRENTE

UMA COMPARAÇÃO DAS TENDÊNCIAS CONSTRUTIVAS NORTE-AMERICANAS E EUROPÉIAS

 Eng. Carlos Von Wieser

                                                   

Torre de fluxo cruzado (double cross- flow) construção americana.

Como em muitos outros campos, no da engenharia também estão presentes, no Brasil, por contratos de licenciamento, as tendências específicas norte-americana, e europeias na construção de torres de resfriamento de água.

Estas tendências são consequência das condições singulares de mercado no seu respectivo país de origem. Ao fundirem-se no Brasil, onde não há as mesmas condições de mercado, a comparação e a avaliação entre as construções daí resultantes desorientam os menos entendidos. A indicação compulsória de um ou outro tipo de construção em especificações técnicas que nos chegam de fora, causam dúvidas quando, na realidade, não há motivo para isto.

A controvérsia maior, quando comparadas as construções americanas com as europeias, visa essencialmente a avaliar a eventual superioridade de um ou outro tipo, entre o de fluxo cruzado (“cross-flow”) que chamaremos, simplificando, de “americano” e o de fluxo em contracorrente (“counter-flow”) que é a construção tipicamente europeia.

Cabe analisar se há ou não, para o mercado brasileiro, alguma vantagem de um dos sistemas sobre outro.

A literatura especializada fornece, em geral, em forma tabelar, indicações sobre as vantagens e desvantagens de um sistema sobre o outro. As vantagens, via de regra, compensam as desvantagens e o responsável pela escolha entre as alternativas verá, finalmente, que as a decisão não deve ser tomada em função do tipo de construção, mas sim da superioridade do projeto individual com o qual se defronta, em termos de economia, seja ele baseado em corrente cruzada ou contracorrente.

A entrada triunfal da torre com fluxo cruzado nos EUA data de pouco antes da 2º Guerra Mundial. As primeiras torres de resfriamento de água, ainda só com tiragem pelo vento natural, foram construídas na Europa já antes da volta do século XX, nas regiões de alta concentração industrial, onde cedo se reconheceu a necessidade de reaproveitamento dos escassos recursos naturais das águas, como meio refrigerante de processos industriais. As primeiras torres com tiragem mecânica surgiram entre 1920 e 1930, com a descoberta da melhoria de alguns processos industriais, na proporção em que era possível abaixar o nível das temperaturas das águas resfriadas, em comparação com as temperaturas que poderiam ser obtidas com torres com tiragem por convecção, ou com tiragem pelo vento natural.

Tanto nos EUA, como na Europa construía-se, até pouco antes da 2º Guerra Mundial, torres com estruturas e demais componentes em madeira, no sistema contracorrente (“counter-flow”), com tiragem forçada (insuflamento do ar) ou induzida (aspiração do ar). As torres com tiragem por convecção eram quase que desconhecidas nos EUA, pois só algumas poucas e pequenas regiões ofereciam o clima apropriado (alta umidade relativa do ar com baixa temperatura média) para resultar, em termos econômicos, em temperaturas de água fria suficientemente baixas para os condensadores tradicionais daqueles anos.

Os EUA dispunham no Californian Redwood de uma madeira de elevada resistência mecânica, ligada a elevada resistência contra ataques de microrganismos. Esta madeira parecia ter reservas inesgotáveis, era de baixo custo e era comercializada em bitolas apropriadas e de ótima qualidade. Não havia necessidade e, portanto, não havia interesse, na procura de outras alternativas para materiais de construção de torres.

Na Europa era preciso usar a madeira das coníferas escandinavas, com menor resistência a microrganismos, portanto com maior custo de imunização, com menor resistências a microrganismos, portanto com maior custo de imunização, com menor resistência mecânica e devido ás longas distâncias de transporte, mais cara. As bitolas maiores eram mais difíceis e de qualidade reduzida.

A madeira era, na Europa, para o fim específico da construção de torres de resfriamento de água, de custo mais elevado e de menor qualidade quando comparada com outras alternativas que se ofereciam.

Grande parte das regiões altamente industrializadas da Europa dependem de energia elétrica gerada por centrais térmicas, com grande capacidade de condensação de vapor. O aumento da capacidade dos blocos das centrais resultou em torres que tinham que resfriar vazões de 30.000 até 45.000 m/h de água por unidade. Não havia necessidade nem interesse de subdivisão em unidades multicelulares, para efeito de elasticidade de operação, pois com a melhora das condições climáticas para efeito de resfriamento (inverno) aumentava aproximadamente na mesma proporção, a demanda (carga), proveniente do consumo de energia para efeito de calefação e iluminação.

Torre de fluxo cruzado em contra corrente, (counter-flow), europeia multicellular.

Só torres com tiragem induzida (aspiração), com o ventilador-exaustor colocado acima do plano do sistema de distribuição da água quente, permitiam o aumento substancial do diâmetro do ventilador, para acompanhar o crescimento das células individuais, e para atender, dentro das condições do mercado europeu, as capacidades unitárias sempre maiores.

Era difícil controlar as cargas dinâmicas, provenientes do desbalanceamento, por corrosão ou acidente, do rotor de um ventilador axial, com diâmetro acima de 10,0 m, montado no alto de uma estrutura de madeira. As juntas entres os elementos estruturais perdiam gradativamente a resistência inicial, aumentando as amplitudes das oscilações dos ventiladores desbalanceados, quando o defeito não era prontamente detectado. Este fenômeno resultou na tendência americana do uso de ventiladores axiais de grande número de pás, com alta frequência e baixa amplitude das pulsações, com diâmetro até 34 pés (10,2 m). As ligações entre os elementos construtivos de madeira da estrutura, eram reforçadas com anéis especiais, e os ventiladores eram equipados com chaves sentinelas de desligamento em excesso de vibração, oscilação ou pulsação, limitando a velocidade periférica, por tradição, em 60m/s (12.000 ft/min.).

O desenvolvimento europeu para unidades maiores resultou, cedo, na aplicação do concreto-armado. Construtivamente era mais fácil controlar as cargas dinâmicas dos ventiladores axiais de grande porte, na parte superior. Assim, há unidades em serviços continuo há alguns anos com ventiladores de 26,0m diâmetro. O número de pás por unidade e a velocidade periférica são determinados unicamente em função do máximo rendimento estático e/ou por motivos de ruído, mas não construídos para suportarem velocidades periféricas até 90,0 m/seg.

As capacidades por células nas torres antigas do tipo counter-flow, americanas, eram portanto, limitadas às capacidades dos maiores ventiladores axiais, que podiam ser instalados nas estruturas de madeira, sem problema de segurança estrutural, a médio ou a longo prazo. O emprego de melhores tipos de enchimento, ligados à maior velocidade do ar, traz, via de regra, um aumento da capacidade da unidade, porém, acompanhado de aumento da perda de pressão estática par o acionamento de água pela maior velocidade do ar, limitava, entretanto, este recurso.

Quando surgiu antes da 2º Guerra Mundial, nos EUA, a torre com tiragem cruzada (“double cross-flow”), ela foi prontamente aceita e difundida, tão logo tinham caducadas as patentes. Isso por que ela permitia a uma larga faixa de temperaturas operacionais, aumentar a capacidade por célula, fruto de uma sensível redução na perda de pressão estática, ainda que o volume de ar, para uma definida capacidade e condição de operação, fosse maior, em comparação com a tiragem em contracorrente.

Paralelamente ao uso do concreto para as estruturas de células grandes, substitui-se, na Europa, a madeira por aços perfilados, protegidos contra a corrosão, para as estruturas de unidades de tamanho médio, e por plástico reforçados com fibra de vidro para unidades compactas de pequena capacidade.

Foram também feitos grandes esforços na Europa para desenvolver sistemas de enchimento de contato sempre mais eficientes, em substituição aos tradicionais enchimentos de madeira, procurando-se tirar vantagem das características físicas dos novos materiais (porosidade, maleabilidade).

Como a torre com tiragem cruzada é essencialmente uma torre com enchimento do sistema de gotejamento, para permitir grandes áreas de passagem de ar, portanto para baixa velocidade do ar e baixa pressão estática, e como os materiais que poderiam substituir a madeira neste sistema resultam em maior custo, devido às pequenas distâncias necessárias entre apoios, mais uma vez não houve incentivo para o renascimento da torre com tiragem em contracorrente no mercado competitivo americano. Na realidade não faltaram tentativa de cano. Na realidade não faltaram tentativas de emprego de plásticos e fibrocimento nas torres com tiragem cruzada. Em unidades de grande capacidade o uso, entretanto, é raro. Unidades pequenas, compactas, foram desenvolvidas com sucesso, porém, acentuadamente com sistemas de contato por filme ou turbilhonado.

A redução no consumo de energia elétrica para o acionamento dos ventiladores, em consequência do menor produto de pressão estática x tiragem de ar, foi compensada em unidades grandes com tiragem de ar, foi compensada em unidades grandes com tiragem cruzada que, pelo acima exposto, usam o sistema de enchimento de contato por gotejamento, com o aumento da altura geométrica de bombeamento da água quente. Em unidades grandes é comum encontrar alturas de 15,0 m, quando no sistema contracorrente a altura normal é de 8,5 - 9,5 m, também para unidades com ventiladores até 15,0m diâmetro. Conclui-se que a questão do maior ou menor consumo de energia elétrica não depende do sistema de ventilação (corrente cruzada ou contracorrente), mas sim, da eficiência do desenho do enchimento de contato, em função da concentração do líquido sobre o gás (ar), de projeto.

Assim, esquematizamos em traços gerais, e na forma simplificada, os motivos pelos quais na Europa a torre com tiragem cruzada não encontrou a mesma aceitação que nos EUA, e porque este tipo de construção é o preferido, naquele país.

Um balanço entre a diferença de construção dos dois tipos não deve justificar uma preferência na escolha, uma vez que há diferenças de custo, de investimento global, de operação e manutenção.

Como uma torre é especificada para resfriar um determinado caudal de água quente, de uma determinada temperatura de água quente para uma determinada temperatura de água resfriada na incidência de pré-determinada temperatura de ar no bulbo-úmido, a escolha entre os 2 sistemas deverá se basear:

·         no custo de investimento global (incluindo o custo da área ocupada, das fundações e da obra civil);

·         no custo operacional (consumo de energia elétrica para acionamento de ventiladores e bombas e perdas de água por arrastamento);

·         no provável custo de manutenção, inclusive custo de tratamento de água e custo de manutenção, inclusive custo de tratamento de água e custo do seguro contra fogo, e

·         na perspectiva de longevidade dos materiais e equipamentos escolhidos na construção, para determinação da taxa de amortização.

Torre de fluxo em contra corrente (counter-flow), multicelulares, equipadas com ventiladores de 25 m de diâmetro, acionadas por motores de 3,500 HP, construção europeia.

É absolutamente irrelevante se o melhor resultado é obtido com uma torre com tiragem em contracorrente ou com uma tiragem cruzada.

A diferença na estética arquitetônica, que tende ora para um ora para outro lado, é uma questão de gosto e, portanto, subjetiva.

Como resultado da maior complexidade de formas da torre com tiragem cruzada, via de regra, o consumo de concreto por unidade e o custo por metro cúbico são maiores nestas unidades, em comparação com a unidade de tiragem em contracorrente, nas mesmas condições de funcionamento.

Considerando o emprego de materiais e equipamentos iguais em qualidade e durabilidade, em um ou outro sistema e, incluindo nestas considerações a eficiência do enchimento de contato, já que esta define custos de investimento e operacional, só restam, para considerações comparativas, o custo de manutenção e o custo de tratamento de água, pois são os únicos pontos onde pode haver diferença de custo em função do sistema de construção da ventilação corrente cruzada ou contracorrente. Novamente vemos que a vantagem que um sistema oferece sobre o outro é compensada com uma desvantagem no mesmo detalhe: a maior facilidade de acesso e inspeção dos tanques distribuidores de água quente em torres com tiragem cruzada é anulada pela exposição desta água quente aos raios solares, resultando em maior estímulo para o crescimento de algas. Assim, é exigido maior cuidado, para manter os bicos de irrigação desobstruídos, mediante a aplicação de doses mais fortes de biocidas ou a limpeza mecânica.

Uma tônica constante na literatura mundial especializada é a maior sensibilidade das torres com tiragem cruzada contra a recirculação de ar úmido expelido pelos ventiladores, essencialmente quando há ventos transversais e para baterias multicelulares. Admite-se uma “quebra de produção” anual, em função da posição da torre em relação aos ventos predominantes de 8 - 10%, com picos até 20%, quando para torres de tiragem em com tiragem em contracorrente estes números não devem passar da metade. Esta diminuição de capacidade poderá passar da metade. Esta diminuição de capacidade poderá passar despercebida na ocasião de teste de recebimento, quando há incidência de ventos favoráveis. Por outro lado, deve o projetista da torre de tiragem cruzada incluir esta redução em forma de uma reserva de capacidade no seu projeto, ou diminuir o efeito mediante colocação de difusores altos passando este detalhe, então, a pesar no custo de investimento global. Admite-se, na literatura, que uma maior ou menor incidência de recirculação é inevitável, em todas as torres cujo ponto de saída de ar úmido (topo do difusor) esteja a menos de 30 m sobre o nível da água fria.

A vantagem arquitetônica da silhueta baixa do resfriador compacto de tiragem cruzada, com enchimento tipo filme ou turbilhonado, de pequena capacidade, é parcialmente anulada pelo maior fator necessário para compensar a maior recirculação.

Resumindo, pode ser observado para as condições brasileiras: Não é importante, assegurada a igualdade de especificações de materiais e equipamentos, em termos de qualidade e durabilidade, que uma torre de resfriamento de água execute o trabalho a que se destina no princípio de construção norte-americano ou seja, no sistema de tiragem cruzada (single ou double cross-flow) ou no sistema europeu (contracorrente). O importante é, para iguais condições de capacidade, o custo de investimento global acima definido, é o custo de operação, é o custo de manutenção e, ainda, para efeito do custo de amortização, é a sua longevidade.

Resfriadores compactos de fiberglass, sistema contracorrente.