Condensação de ar úmido em superfícies resfriadas: aplicação em trocadores de calor com termossifões aletados

Abstract

A crescente demanda por água e a sua disponibilidade limitada destacam a necessidade urgente de estratégias eficazes de gestão de recursos hídricos, especialmente no setor industrial. Uma solução promissora para a conservação desses recursos é a recuperação do vapor liberado durante as operações de torres de resfriamento. Desde 2006, o Laboratório de Tubos de Calor (Labtucal) da Universidade Federal de Santa Catarina tem conduzido pesquisas nessa área, propondo o uso de trocadores de calor compostos por termossifões de tubos aletados para condensar e recuperar parte do vapor de água presente no ar úmido expelido por torres de resfriamento. O presente estudo tem como objetivo analisar e propor alternativas para modelar a condensação nesses trocadores de calor. Foram empregados três métodos distintos de avaliação: simulações com a ferramenta wall condensation model do software comercial CFD-ANSYS® em uma seção representativa do trocador de calor; simulações adicionais utilizando uma geometria simplificada composta por placas planas paralelas para representar o trocador de calor; e o desenvolvimento de um modelo semi-analítico baseado no método de analogia entre transferência de calor e massa, o qual foi testado e validado, para capturar os fenômenos termofísicos relevantes. Os resultados indicam que o trocador de calor proposto pode alcançar uma recuperação significativa de vapor de água, chegando a até 24% quando a diferença de temperatura entre a parede do trocador e a mistura vapor-ar é de 14,5 K. Em condições menos favoráveis, com uma diferença de temperatura de apenas 4,5 K, a recuperação ainda atinge aproximadamente 2%. Além disso, o estudo demonstra que um canal retangular formado por placas planas paralelas pode representar com precisão a estrutura complexa de um trocador de calor de tubo aletado, com uma concordância de resultados dentro de uma margem de 2% em relação aos padrões de referência. O modelo semi-analítico desenvolvido também se mostrou confiável, embora conservador, apresentando erros que variam de 2% a 12,61%. Este trabalho não apenas valida a viabilidade do uso do trocador de calor de termossifões bifásicos de tubos aletados em torres de resfriamento para recuperação de água, mas também fornece uma metodologia robusta para otimização e implementação dessa tecnologia em aplicações industriais, contribuindo para a gestão sustentável de recursos hídricos.

Abstract: The increasing demand for water and its limited availability highlights the urgent need for effective water resource management strategies, especially in the industrial sector. A promising solution for preservation of these resources is the recovery of vapor released during cooling tower operations. Since 2006, the Heat Pipe Laboratory (Labtucal) of the Federal University of Santa Catarina has been conducting research in this area, proposing the use of heat exchangers composed of finned tube thermosyphons to condense and recover part of the water vapor present in the humid air expelled by cooling towers. The present study aims to analyze and propose alternatives to model condensation in these heat exchangers. Three different evaluation methods were used: simulations with the wall condensation model tool of the CFD-ANSYS® software in a representative section of the heat exchanger, additional simulations using a simplified geometry composed of parallel flat plates to represent the heat exchanger and the development of a semi-theoretical model based on the heat and mass transfer analogy method, tested to capture the relevant thermophysical phenomena. The results indicate that the proposed heat exchanger can achieve significant water vapor recovery, reaching up to 24% when the temperature difference between the heat exchanger wall and the vapor-air mixture is 14.5 K. Under less favorable conditions, with a temperature difference of only 4.5 K, the recovery still reaches approximately 2%. Furthermore, the study demonstrates that a rectangular channel formed by parallel flat plates can accurately represent the complex structure of a finned tube heat exchanger, with an agreement of results within a margin of 2% for reference standards. The developed semi-theoretical model also proved to be reliable, although conservative, presenting errors ranging from 2% to 12.61%. This work validates the feasibility of using the two-phase finned tube thermosyphon heat exchanger in cooling towers for water recovery. It provides a robust methodology for optimizing and implementing this technology in industrial applications, contributing to the sustainable management of water resources.