Noções básicas sobre soluções de resfriamento de fluidos resfriados a ar, resfriados a água, adiabáticos e híbridos
Por Stephen G. Kline, PE, MBA, Gerente de Aplicações de Produto, Baltimore Aircoil Company
Os sistemas de resfriamento para conforto, refrigeração e aplicações industriais normalmente utilizam um dos três métodos principais para rejeição de calor - resfriado a ar, resfriado a água ou adiabático. O resfriamento híbrido, a rejeição de calor usando dois ou mais desses métodos, também ganhou popularidade nos últimos anos. Para escolher o sistema de resfriamento ideal, o engenheiro deve considerar o clima, o custo operacional desejado, a disponibilidade de água, a carga de resfriamento e quaisquer outros objetivos e restrições potenciais específicos do local, como manutenção.
Os sistemas refrigerados a ar usam resfriamento a seco. O ar passa por um trocador de calor aletado contendo o fluido do processo. O calor sensível é transferido do fluido de processo no trocador de calor para a corrente de ar que flui através da unidade. Para resfriar eficientemente o fluido do processo até a temperatura desejada para o sistema, a temperatura do bulbo seco deve ser significativamente menor que a temperatura do fluido. Em climas quentes e durante períodos de altas temperaturas ambientes, essa tecnologia resulta em temperaturas de projeto de fluido de processo mais altas e eficiências gerais do sistema mais baixas.
As unidades refrigeradas a ar também consomem muita energia para operar os ventiladores, que devem movimentar um grande volume de ar. Também é necessária uma área de superfície de transferência de calor significativamente maior do que os outros métodos de resfriamento, normalmente resultando em uma área de cobertura muito maior para resfriadores a seco do que os sistemas que utilizam rejeição de calor evaporativa ou adiabática. A temperatura operacional mais alta do projeto do sistema resulta em um consumo de energia significativamente maior para o sistema. Finalmente, como o sistema funciona com temperaturas de fluido de processo mais altas e o calor é o inimigo dos sistemas mecânicos, a vida útil do sistema é menor do que os sistemas de resfriamento alternativos que oferecem temperaturas de projeto mais baixas.
Os sistemas refrigerados a água normalmente usam rejeição de calor por evaporação para maximizar a eficiência energética e o desempenho térmico. O resfriamento evaporativo rejeita eficientemente o calor da água recirculante e descarrega o ar quente e úmido para a atmosfera, utilizando o potencial sensível e latente do ar. A rejeição de calor evaporativo reduz significativamente a potência necessária do ventilador, a área ocupada e, o mais importante, o consumo geral de energia do sistema. Este consumo de energia é significativamente menor do que o uso total de energia de sistemas de tamanho semelhante utilizando resfriamento a ar ou rejeição de calor adiabática. Em torres de resfriamento, resfriadores de fluido e condensadores evaporativos, um sistema de pulverização passa água sobre o meio de enchimento e/ou um trocador de calor. Usando a mesma física da transpiração, o processo evaporativo resfria a superfície da água à medida que as moléculas de H2O passam da fase líquida para a fase gasosa. O calor é então rejeitado para a corrente de ar através da unidade e, finalmente, para a atmosfera através do processo de resfriamento evaporativo.
O processo evaporativo depende da capacidade do ar que entra em absorver as moléculas de água evaporadas usando a força motriz de entalpia do ar. Quanto mais seco e menos úmido o ar, maior esse potencial, indicado pela temperatura de bulbo úmido, que é sempre igual ou menor que a temperatura de bulbo seco do ar. A temperatura de bulbo úmido está relacionada à quantidade de umidade no ar em relação à temperatura de bulbo seco. Uma torre de resfriamento evaporativo pode reduzir o fluido de processo no trocador de calor a alguns graus da temperatura de bulbo úmido. As torres de resfriamento evaporativo e os resfriadores de fluido provaram ser soluções de resfriamento poderosas e com eficiência energética em todos os climas. Embora utilizem água, que normalmente é muito mais barata que a energia, ainda é um importante recurso natural a ser conservado. Esta conservação é conseguida através do desenvolvimento e implementação de um programa eficaz de tratamento de água para o local.
O resfriamento adiabático também usa a evaporação, mas como meio de resfriar o ar que entra passando por um trocador de calor aletado. Em um sistema adequadamente projetado e operado, o trocador de calor aletado permanece seco, protegendo as superfícies contra incrustações e corrosão. O resfriamento de ar adiabático pode ser realizado por pulverização de água na corrente de ar ou usando almofadas molhadas que fornecem uma superfície para a interface de água e ar. No primeiro caso, o objetivo é que a água pulverizada na corrente de ar evapore antes de atingir a serpentina aletada, evitando incrustações e corrosão na serpentina que podem impactar negativamente na eficiência do sistema e na vida útil do equipamento. No segundo caso, uma almofada molhada é usada para resfriar a corrente de ar que entra. As almofadas são especialmente projetadas para reter a água na superfície das almofadas para garantir que ela não seja transportada para a bobina aletada, minimizando o risco de danos à bobina.
O uso de uma pequena quantidade de água para pré-resfriar o ar que entra no trocador de calor reduz o fluxo de ar necessário e a potência do ventilador em comparação com as unidades refrigeradas a ar, ao mesmo tempo que reduz a temperatura do fluido de volta ao sistema. Nos sistemas adiabáticos mais eficientes, o ar é resfriado próximo à temperatura de bulbo úmido. Essa redução substancial da temperatura do ar resulta em um aumento significativo na capacidade de resfriamento a seco e na eficiência energética em comparação com os projetos somente a seco. Uma vez que a temperatura ambiente começa a se aproximar do congelamento, ou durante períodos de carga reduzida, a unidade pode ser comutada para operar em modo somente seco, diminuindo assim o uso de água.
Os controles do sistema de rejeição de calor adiabático são projetados para serem flexíveis, inteligentes e amigáveis ao cliente, aproveitando ao máximo os modos de operação duplos. Em um ponto de projeto selecionado pelo cliente, como um bulbo seco ambiente mais frio e uma carga de calor mais baixa, a unidade pode desligar a recirculação de água e alternar para operação no modo seco. Além disso, o reservatório de água de recirculação de baixo volume drena automaticamente quando ocorrem temperaturas de congelamento, negando a necessidade de aquecedores de reservatório.
O projeto de recirculação de um sistema de rejeição de calor adiabático consome menos água do que uma torre de resfriamento evaporativo. Observe que alguns projetos utilizam um sistema de umedecimento “de passagem única” que pode aumentar substancialmente o uso de água, em comparação com o sistema do tipo recirculante. No entanto, esses projetos também podem violar os códigos locais que proíbem o uso de resfriamento único, portanto, os funcionários do código local devem ser consultados.
Os produtos de resfriamento híbrido usam uma combinação de tecnologia de rejeição de calor seco e evaporativo. Combinando os benefícios de ambos, os produtos híbridos podem ser ideais para aplicações sensíveis à água e ainda oferecer alta eficiência energética. Eles têm a opção de operar “úmido”, agregando os benefícios associados à rejeição de calor evaporativo ou adiabático, além de operar em modo seco. Dependendo das necessidades de água e energia do cliente, juntamente com as condições ambientais, esses produtos podem deslocar a carga para o método adequado de rejeição de calor para otimizar a conservação de água e energia para um local específico.
A BAC, líder em soluções de refrigeração sustentáveis, cria tecnologia de rejeição de calor de ponta para atender às necessidades de nossos clientes: soluções de refrigeração a ar, água, adiabática e híbrida estão prontamente disponíveis, cada uma oferecendo vantagens exclusivas para o seu sistema. Entre em contato com seu representante de vendas local da BAC para obter assistência na escolha da solução de resfriamento ideal para seu próximo projeto.
Dry Cooling (Air Cooled)
Air cooled systems use dry cooling. Air passes over a finned heat exchanger containing the process fluid. Heat is sensibly transferred from the process fluid in the heat exchanger to the airstream flowing through the unit. To efficiently cool the process fluid to the desired temperature for the system, the dry bulb temperature must be significantly lower than the fluid temperature. In hot climates and during periods of high ambient temperatures, this technology results in higher process fluid design temperatures and lower overall system efficiencies.
Air cooled units consume a great deal of energy to operate the fans, which must move a large volume of air. Significantly more heat transfer surface area than the other cooling methods is also required, typically resulting in a much larger footprint for dry coolers than systems that utilize either evaporative or adiabatic heat rejection. The higher system design operating temperature results in significantly greater energy consumption for the system.
Advantages of Dry Cooling
- No Water Used: Dry coolers are ideal for projects or regions where water is extremely limited or when water quality is a concern. Additionally, dry coolers are considered when all of the electricity to a site is available with renewable power sources, such as wind or solar.
Evaporative Cooling (Water Cooled)
Water cooled systems typically use evaporative heat rejection to maximize energy efficiency and minimize footprint of an installation. Evaporative cooling efficiently transfers heat from the recirculating water and discharges warm, moist air to the atmosphere by utilizing both the sensible and latent potential of the air. Evaporative heat transfer significantly reduces the required fan power, footprint, and, most importantly, the overall system energy consumption. This energy consumption is significantly less than the total energy usage of similarly sized systems utilizing either air cooled or adiabatic solutions. In cooling towers, fluid coolers, and evaporative condensers, a distribution system passes water over a heat exchanger such as fill media, coil or other heat exchanger. Using the same physics as perspiration, the evaporative process cools the surface of the water as the H2O molecules transition from the liquid to the gas phase. Heat is then transferred to the airstream and ultimately into the atmosphere through the evaporative cooling process.
The evaporative process is dependent on the ability of the entering air to absorb the evaporated water molecules using the enthalpy driving force of the air. The drier and less humid the air, the higher this potential, as indicated by the wet bulb temperature, which is always equal to or less than the dry bulb temperature of the air. The wet bulb temperature is related to the amount of moisture in the air relative to the dry bulb temperature. An evaporative product can lower the process fluid in the heat exchanger to within a few degrees of the wet bulb temperature. Evaporative products have proven to be powerful, energy-efficient cooling solutions in all climates.Evaporative products use the power of water to save significant amounts of energy. To optimize the water used, design considerations evaluating water quality, upgrading the materials of construction of the units and implementing an effective water treatment program.
Advantages of Evaporative Cooling
- Lower process fluid temperatures can be achieved: The amount of evaporation, and hence heat transfer, depends on the wet bulb temperature instead of dry bulb temperature. Especially in the summer this wet bulb temperature is far lower than the equivalent dry bulb temperature. For example, during hot summer days with dry bulb temperatures exceeding 95°F, the wet bulb could be as low as 71.6°F, making it possible to cool the process fluid down to 77°F using evaporative cooling.
- Compact Design: This design results in 50% area savings compared to comparable air-cooled installations. This also makes them easier to install.
- Refrigerant Charge: The highly efficient design consists of a more compact heat exchanger resulting in a low refrigerant charge.
- Considerable Energy Savings: Evaporation removes more heat in comparison to conventional air-cooled methods for heat transfer, while requiring four times less airflow.
Adiabatic Cooling
Adiabatic cooling products also uses evaporation, but as a means of cooling the entering air passing through a finned heat exchanger. In a properly designed and operated system, the finned heat exchanger stays dry, protecting the surfaces from scale and corrosion. The air can be cooled by either spraying water into the airstream or by using wetted pads that provide a surface for water and air to interface. In the first case, the goal is that the water sprayed into the airstream evaporates before reaching the finned coil, avoiding scaling and corrosion on the coil which can negatively impact system efficiency and equipment lifetime. In the second case, a wetted pad is used to cool the entering airstream. The pads are specially designed to retain water on the surface of the pads to ensure that it does not carry over to the finned coil minimizing the potential for scale and corrosion. The water distribution system maximizes pad efficiency by effectively wetting the pad to minimize process fluid temperatures and prevent scale formation.
Advantages of Adiabatic Cooling
- Water Savings: The use of a small amount of water to precool the air entering the heat exchanger lowers the required airflow and fan power compared to air cooled units, while also lowering the fluid temperature back to the system. In the most efficient adiabatic systems, the air is cooled close to the wet-bulb temperature. Such substantial depression of the air temperature results in a significant increase in cooling capacity and energy efficiency compared to dry-only designs. Once the ambient temperature begins to approach freezing, or during times of reduced load, the unit can be switched to operate in a dry-only mode, thus decreasing water usage.
- Multiple Modes of Operation with Controls: Adiabatic product controls are designed to be flexible, intelligent, and customer-friendly, taking full advantage of the dual operating modes. At a customer-selected design point, such as a cooler ambient dry bulb and a lower heat load, the unit can turn off the water and switch to operation in dry mode. Additional control features include a daily maintenance mode, energy saver, or water saver mode.
Hybrid Cooling
Hybrid products use a combination of dry and evaporative cooling technology. Combining the benefits of both, hybrid products can be ideal for water-sensitive applications while still offering high energy efficiency.
Advantages of Hybrid Cooling
- Balances Water and Energy: Hybrid cooling products have the option to operate “wet”, adding the benefits associated with either evaporative or adiabatic heat rejection, as well as operate in a dry mode. Depending on the customer’s water and energy requirements, along with ambient conditions, these products can shift the load to the proper method of heat rejection to optimize the conservation of both water and energy for a specific site.
- Lower process fluid temperatures can be achieved: Since this unit can operate in “wet” mode, this hybrid products can achieve low process fluid temperatures and lower system operating costs.
- Compact Design: Footprint savings compared to comparable dry cooler or adiabatic installations.
BAC, the leader in sustainable cooling solutions, creates cutting-edge heat rejection technology to meet our customers’ needs: air cooled, water cooled, adiabatic, and hybrid cooling solutions are all readily available, each offering unique advantages for your system. Contact your local BAC Sales Representative for assistance in choosing the optimal cooling solution for your next project.