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Com base em um modelo fenomenológico e a partir de dados experimentais obtidos numa planta piloto, foi obtida uma correlação entre o desempenho de uma torre de resfriamento em função das principais variáveis de processo: fluxos mássicos do gás e da água pela torre, e temperatura de entrada da água. Os resultados apresentaram boa consistência, comparados com os da literatura. A metodologia desenvolvida pode, com relativa facilidade, ser aplicada para torres de resfriamento industriais, pois se baseia em medidas de variáveis, factíveis em termos práticos. Efetuou-se também um estudo paralelo com base em modelagem e simulações matemáticas do comportamento de uma torre de resfriamento de água em condições severas, com temperatura da água de alimentação superior a 50°C. Constatou-se que o coeficiente de transporte de massa na torre de resfriamento aparentemente não é afetado. / Cooling towers are widely used in many industrial and utility plants and its thermal performance is of vital importance. In the present work, using a phenomenological model and by experiments carried on over a pilot installation, the mass transfer coefficient dependence of air and water flow rates and inlet cooling water temperature is determined. The approach proposed may be useful in addition for characterization of industrial cooling towers since it depends on temperature and flow rate measurement usually available in typical plants. A parallel study concerning high mass transfer rate theory is accomplished. Through mathematical modeling and simulations based on this study no influence is detected on the mass transfer coefficient in the cooling tower, operating under harsh conditions with inlet water temperature up to 90°C.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1904620 bytes, checksum: 13a823522316cba8691ca5d7abac9d7f (MD5) Previous issue date: 2010-07-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The simultaneous heat and mass transfer phenomenon presents on the absorbers of the absorption refrigeration machine was studied by Generalized Integral Transform Technique GITT, for three practical interest cases with growing degree of difficulty in your mathematical formulation. The two first occur over an inclined flat plane with laminar flow regime. It is considered the fully developed flow and obtained the explicit velocity profile with constant thickness film. The adiabatic and isothermal wall is analyzed. The third case, that represent a real condition of operation occur over external surface of a single tube. It models the falling film on a tube where the thickness of the film varies along the perimeter. The phenomenon studied, classified like diffusion problem coupled, presents a strong couplement on the liquid-vapor interface and so, the energy and concentration equations are simultaneously solved. The solutions are obtained from two auxiliary eigenvalues problems for concentration and energy problems. Following the GITT formalism, a hybrid analyticnumerical solution to the potentials is described. Results of practical interest are found such as Sherwood and Nusselt numbers, mass flux in the interface and average potentials. / O fenômeno da transferência simultânea de calor e massa presente nos absorvedores das máquinas de refrigeração por absorção foi estudado pela Técnica da Transformada Integral Generalizada, do inglês Generalized Integral Transform Technique GITT, para três casos de interesse prático com crescente grau de dificuldade em sua formulação matemática. Os dois primeiros se referem a uma placa plana inclinada com escoamento em regime laminar, com perfil de velocidades conhecido e com a espessura da película constante ao longo do escoamento. Esta situação é examinada para as condições limites: parede adiabática e parede isotérmica. O terceiro caso, mais próximo da condição real de operação, modela o escoamento sobre um tubo onde a espessura da película varia ao longo do perímetro. O fenômeno, classificado como problema de difusão acoplado, apresenta um forte acoplamento na interface líquido-vapor e com isso as equações que representam as distribuições de energia e concentração da película líquida durante o escoamento, não podem ser solucionadas separadamente. A solução é construída com base em dois problemas auxiliares: um para a energia e outro para a concentração. Seguindo o formalismo da GITT, os potenciais são obtidos de forma híbrida analítico-numérico. Resultados de interesse práticos são obtidos como números de Sherwood e de Nusselt, bem como o fluxo de massa na interface e os potenciais médios.

Com base em um modelo fenomenológico e a partir de dados experimentais obtidos numa planta piloto, foi obtida uma correlação entre o desempenho de uma torre de resfriamento em função das principais variáveis de processo: fluxos mássicos do gás e da água pela torre, e temperatura de entrada da água. Os resultados apresentaram boa consistência, comparados com os da literatura. A metodologia desenvolvida pode, com relativa facilidade, ser aplicada para torres de resfriamento industriais, pois se baseia em medidas de variáveis, factíveis em termos práticos. Efetuou-se também um estudo paralelo com base em modelagem e simulações matemáticas do comportamento de uma torre de resfriamento de água em condições severas, com temperatura da água de alimentação superior a 50°C. Constatou-se que o coeficiente de transporte de massa na torre de resfriamento aparentemente não é afetado. / Cooling towers are widely used in many industrial and utility plants and its thermal performance is of vital importance. In the present work, using a phenomenological model and by experiments carried on over a pilot installation, the mass transfer coefficient dependence of air and water flow rates and inlet cooling water temperature is determined. The approach proposed may be useful in addition for characterization of industrial cooling towers since it depends on temperature and flow rate measurement usually available in typical plants. A parallel study concerning high mass transfer rate theory is accomplished. Through mathematical modeling and simulations based on this study no influence is detected on the mass transfer coefficient in the cooling tower, operating under harsh conditions with inlet water temperature up to 90°C.

Neste trabalho foi realizada a modelagem fenomenológica do desempenho de uma torre de resfriamento de água e de um sistema de duas torres de resfriamento em série, com temperatura de água de entrada de até 65 ºC. Verificou-se a validade do modelo através de comparação dos resultados previstos com os obtidos em ensaios em uma unidade piloto. Em seguida, através de simulação matemática, a partir do modelo desenvolvido, foi feito o estudo de diversos casos de aplicação. Estudou-se a influência das principais variáveis de operação (vazão de ar, vazão de água e temperatura de bulbo úmido) no desempenho de torres de resfriamento acopladas (em série e em paralelo) e no custo operacional. Verifica-se que a variável de maior influência é a vazão de água que circula pela torre. / This is a study about the phenomenological modeling of the performance of a water cooling tower and a system of two cooling towers in series, with water temperature input up to 65°C. The validity of model was verified by comparing the expected results with those obtained in tests on a pilot plant. After this, through a mathematical simulation, based on the model developed, several cases of application were analyzed. It was studied the influence of main operating variables (air flow, water flow and wet bulb temperature) on the performance of couples cooling towers (in series and parallel) and on operational cost. It was verified the most influential variable is the water flow rate through the tower.

Neste trabalho foi realizada a modelagem fenomenológica do desempenho de uma torre de resfriamento de água e de um sistema de duas torres de resfriamento em série, com temperatura de água de entrada de até 65 ºC. Verificou-se a validade do modelo através de comparação dos resultados previstos com os obtidos em ensaios em uma unidade piloto. Em seguida, através de simulação matemática, a partir do modelo desenvolvido, foi feito o estudo de diversos casos de aplicação. Estudou-se a influência das principais variáveis de operação (vazão de ar, vazão de água e temperatura de bulbo úmido) no desempenho de torres de resfriamento acopladas (em série e em paralelo) e no custo operacional. Verifica-se que a variável de maior influência é a vazão de água que circula pela torre. / This is a study about the phenomenological modeling of the performance of a water cooling tower and a system of two cooling towers in series, with water temperature input up to 65°C. The validity of model was verified by comparing the expected results with those obtained in tests on a pilot plant. After this, through a mathematical simulation, based on the model developed, several cases of application were analyzed. It was studied the influence of main operating variables (air flow, water flow and wet bulb temperature) on the performance of couples cooling towers (in series and parallel) and on operational cost. It was verified the most influential variable is the water flow rate through the tower.

Les gaz issus de la combustion des énergies fossiles dans les centrales électriques contiennent une grande variété de polluants tels que les gaz-acides et ne peuvent être rejetés directement dans l'atmosphère. Ces polluants gazeux doivent être traités par des méthodes de captage en post combustion dans des colonnes d'absorption utilisant des solvants chimiques. L'objectif est donc de concevoir une unité d'élimination sélective des gaz-acides tels que CO2, H2S et COS en utilisant des solvants de la famille des alcanolamines. Cette thèse développe dans un premier temps, un modèle de non-équilibre, adapté aux systèmes multiconstituants électrolytiques et réactifs, pour la représentation des colonnes d'absorption réactive. Le modèle comporte des modules pour représenter la thermodynamique en espèces vraies (espèces ioniques et moléculaires), le transfert simultané de masse et de chaleur, et les réactions chimiques. Les équations généralisées de Maxwell-Stefan sont utilisées pour quantifier les interactions multiconstituants lors de la diffusion. Le schéma réactionnel est intégralement pris en compte dans la phase liquide, et les réactions chimiques peuvent être cinétiquement contrôlées ou à l'équilibre chimique instantané. La séparation réactive en régime permanent est ainsi simulée avec une description rigoureuse des phénomènes de réaction-diffusion dans les films diffusionnels. Dans un deuxième temps, une installation pilote de captage du CO2 par une solution aqueuse de diéthanolamine est mise en fluvre pour la validation expérimentale du modèle. La diéthanolamine a une forte réactivité vis-à-vis du CO2; ceci engendre un profil important de concentration du soluté dans la colonne. Le pilote est dédié à la validation de modèle, il est donc équipé de plusieurs unités d'échantillonnage gaz et liquide à différentes hauteurs de garnissage. Les profils longitudinaux de la concentration du CO2 en gaz et en liquide, de l'humidité absolue et de la température liquide peuvent être établis expérimentalement et être comparés avec ceux provenant de la simulation. L'outil de simulation validé devient alors un outil de prédiction de l'efficacité des unités réelles de captage par l'absorption réactive. / The exhaust gases coming from the combustion of fossil fuels in power plants contain a wide variety of pollutants such as acid gases and can not be discharged directly into the atmosphere. These gaseous pollutants must be treated by postcombustion capture methods in absorption columns using chemical solvents. The objective is then to design a selective removal unit of acid-gases such as CO2, H2S and COS by using solvents of the alkanolamine family. This thesis develops as the first step, a non-equilibrium model, adapted to multicomponent electrolytic and reactive systems, for the representation of reactive absorption columns. The model includes modules to represent the thermodynamics on the basis of true species (ionic and molecular species), the simultaneous heat and mass transfer, and the chemical reactions. The generalized equations of Maxwell-Stefan are used to take into account the multicomponent interactions during diffusion. The reaction scheme is fully included in the liquid phase, and the chemical reactions can be kinetically controlled or at instantaneous equilibrium. The reactive separation at steady-state conditions is then simulated with a rigorous description of the reaction-diffusion phenomena in diffusional films. In the second step, a pilot plant of CO2 capture with an aqueous solution of diethanolamine is implemented for experimental validation of the model. Diethanolamine has high reactivity with respect to CO2; this generates an important concentration profile of solute in the column. The pilot plant is dedicated to model validation; it is equipped with several gas and liquid sampling units at different heights of packing. The longitudinal profiles of the gas and liquid CO2 concentration, the absolute humidity and the liquid temperature can be established experimentally and compared with those from the simulation. The validated simulation tool then becomes a tool to predict the effectiveness of real capture units by reactive absorption.