Orientador: Roger Josef Zemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T01:23:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jasiulionis_JaquelineAndreaEsposito_M.pdf: 15957742 bytes, checksum: f23f7bfae46e12833b047fae94479804 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Em muitos processos há necessidade de remover a carga térmica de um dado sistema e utiliza-se, na maioria dos casos, a água como o fluido de resfriamento. Devido à sua crescente escassez e preocupação com o meio ambiente, além de motivos econômicos, a água "quente" que sai desses processos, deve ser aproveitada. Para tanto, ela passa por uma torre de resfriamento e retorna ao processo. Este trabalho descreve um procedimento para avaliar o desempenho térmico de torres de resfriamento, em duas configurações distintas (escoamento contracorrente e escoamento cruzado), utilizando redes neurais artificiais. A vantagem do procedimento proposto é a possibilidade da avaliação direta do desempenho de uma torre sem a complexidade do uso de procedimentos iterativos para convergência nem a necessidade de rotinas de propriedades físicas e psicrométricas. A avaliação do desempenho é feita pela determinação da temperatura de saída da água para um conjunto de parâmetros de entrada (propriedades de corrente da água e do ar na entrada da torre, dimensões e propriedades do recheio), ou determinação da característica do recheio para uma torre existente, em função das condições operacionais. Para a situação de projeto o procedimento permite estimar a vazão de ar ou altura necessária para a torre satisfazer uma condição operacional exigida. O procedimento proposto se mostrou particularmente eficiente para torres com escoamento cruzado, onde o método tradicional de simulação exige a decomposição da torre em um número elevado de células, cada um como um procedimento iterativo para cálculo do balanço de massa e energia. A rede rendeu ótimos resultados quando usada para predizer a temperatura de saída da água e o coeficiente de transferência de massa. Os resultados mostram que a RNA pode fornecer com precisão o desempenho térmico da torre de resfriamento / Abstract: In many industrial environments it is necessary to remove the heat load from a given system and in most cases water is used as the coolant. Due to its increasing scarcity and concerns for the environment, and economic reasons, the "hot" water coming out of these processes must be reused. To do so, it passes through a cooling tower and returns to the process. This paper describes a procedure for evaluating the thermal performance of cooling towers in two different configurations (counter flow and cross flow), using artificial neural networks. The advantage of the proposed procedure is the possibility of direct assessment of the performance of a tower without the complexity due to the required convergence of the iterative procedure or the need for physical properties and psychrometric routines. The performance evaluation is made by computing the temperature of the water outlet for a set of input parameters (flow properties of water and air near the tower, dimensions and properties of the filling), or computing the characteristic of the filling for a existing tower, depending on operating conditions. For the project situation, the procedure allows for the estimate of the air flow or the tower height needed to meet a required operating condition. The proposed procedure proved particularly effective in cross-flow towers, where the traditional method of simulation requires the decomposition of the tower in a large number of cells, each as an iterative procedure for calculating the mass balance and energy. The network yielded excellent results when used to predict the exit temperature of the water and the coefficient of mass transfer. The results show that the RNA can accurately provide the thermal performance of the cooling tower / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestra em Engenharia Química

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.

O segmento industrial é um grande usuário de água e, na maior parte das situações, está localizado junto a aglomerações urbanas, caracterizando situação de dificuldade na obtenção deste recurso para as suas operações. As fontes de água estão cada vez mais saturadas e os processos de tratamento mais sofisticados. O objetivo deste estudo foi avaliar a viabilidade técnico-econômica da implantação do tratamento eletromagnético para água de resfriamento em indústrias químicas, substituindo ou complementando o tratamento químico convencional. O texto descreve inicialmente os fundamentos do tratamento de água baseado na aplicação de campo eletromagnético e, em seguida, os efeitos do uso dessa tecnologia sobre custos anuais de resfriamento em um caso típico da indústria química. Neste estudo foi dada ênfase ao efeito sobre os custos anuais da menor adição de produtos químicos, redução na vazão de purga e de reposição de água, além da redução na frequência de limpeza dos equipamentos e redução da carga poluente nos efluentes líquidos. O estudo foi aplicado a uma torre de resfriamento industrial, para a qual foi elaborado um modelo matemático considerando as taxas de consumo e especificações de água de resfriamento, além de parâmetros do processo de tratamento de água convencional e eletromagnético. São apresentados resultados de um estudo de sensibilidade para diferentes cenários, em que são identificados os fatores com maior efeito sobre os custos. Além disso, na aplicação ao sistema proposto, são estimadas condições ótimas de operação, considerando os ciclos de concentração para os quais pode haver maior redução de custos. Utilizando-se o tratamento eletromagnético para a água de resfriamento, há uma economia significativa, pois o número de paradas para a manutenção dos equipamentos pode ser reduzido. Dessa forma, o produto final do trabalho constitui-se em uma estrutura de cálculo voltada à estimação de custo do tratamento físico de água de resfriamento, o qual pode ser aplicado a diferentes cenários e condições de operação industrial. / The industrial sector is a major water user and in most situations is located next to urban areas, in a situation of increasing difficulty in collecting and treating water resources for its operations. The water sources are becoming more saturated and thus demanding more sophisticated treatment processes. The aim of this study was to evaluate the technical and economic feasibility of the implementation of electromagnetic treatment of cooling water in chemical industries, thus replacing or complementing the conventional chemical treatment. The text initially describes the principles of the physical process for water treatment based on the application of an electromagnetic field, and then focuses on the effects of the use of this technology on the annual costs of cooling in a typical case of the chemical industry. The study is focused on the effects of the electromagnetic treatment on the annual cost of cooling in view of the reduced consumption of chemicals, as well as reduction in purge flow and water replacement, reduced frequency of equipment cleaning, and reduction of pollution load caused by wastewater. The study results were applied to an industrial cooling tower for which a mathematical model was developed by considering consumption rates and cooling water specifications, as well as parameters of the electromagnetic and conventional water treatment processes. A sensitivity study was carried out for different scenarios, in which the most important factors affecting the annual cost are identified, and optimal process conditions are estimated for maximum concentration cycles. The study shows that the use of electromagnetic treatment for cooling water results in significant savings due to the reduced number of maintenance periods. The final product of this study is a calculation structure for cost estimation related to the physical treatment of cooling water, which can be applied to different scenarios and industrial operation conditions.

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.

Orientadores: Roger Josef Zemp, Flavio Vasconcelos da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T20:37:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Waki_Renata_M.pdf: 3835384 bytes, checksum: c0857e96e600a266ca359e3df135543d (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Esta dissertação descreve a montagem de um sistema de resfriamento deságua e as avaliações nele realizadas visando sua utilização para o ensino de sistemas de processos para alunos de graduação. O ensino de sistemas de processos restringe-se, normalmente, à modelagem e simulação computacional, sendo poucas as vezes que o aluno tem um contato com o processo real. Buscando contribuir para uma melhorar aprendizagem nesta área e aplicar conceitos teóricos na prática, estruturou-se o referido sistema. Este sistema foi construído em escala de planta-piloto e é formado pelos subsistemas trocador de calor e torre de resfriamento. Para medição das variáveis de processo, foi feita uma instrumentação industrial padrão nos subsistemas com sensores de temperatura, umidade, vazão e pressão diferencial. Estes instrumentos foram conectados a um módulo de aquisição e registro de variáveis (datalogger) que possui comunicação serial RS485 com protocolo MODBUS. O uso deste aparelho possibilita o envio dos parâmetros do processo a terminais de computadores para acompanhamento on-line ou para armazenamento e posteriores análises. Para melhor visualização do processo, foram feitas telas supervisórias utilizando-se para isso o software Indusoft Web Studio v6.1. Por fim, foram realizados testes no subsistema torre de resfriamento para verificação de seu funcionamento e correção dos erros encontrados. Neste projeto, foi desenvolvida também uma equação empírica para o cálculo direto da temperatura de bulbo úmido do ar, facilitando, assim, sua determinação principalmente quando se deseja fazer um monitoramento contínuo desta. / Abstract: This work describes proposal for complementing Process Systems Engineering (PSE) undergraduate learning. Traditional teaching of PSE is normally restricted to modeling and computer simulations, with very little contact with actual processes. We felt that applying theoretical concepts to practical problems would be very welcome by the students and improve their understanding of PSE. For this purpose we designed and built an experimental setup consisting of a process system (a heat exchanger) and a utility system (a cooling tower). A set of industrial-standard instrumentation was used for measuring process variables: flow, temperature, humidity and pressure drop sensors. All instruments are connected to an industrial data-logging device. The measured process parameters are sent from the datalogger to a computer using the MODBUS/RS485 standard, and displayed to the user as process flowsheets. The flowsheets and additional screens were developed using the industrial-standard supervisory control and data acquisition system InduSoft Web Studio v6.1. Data can be continuously monitored or stored in files for further off-line processing. Some tests were made on the cooling tower system to verify its behaviour and correct the problems found. In this work, it was also developed an empirical equation through which it is possible to calculate the air wet bulb temperature in a direct way. This is specially interesting in its continuous monitoring in a process. / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

O segmento industrial é um grande usuário de água e, na maior parte das situações, está localizado junto a aglomerações urbanas, caracterizando situação de dificuldade na obtenção deste recurso para as suas operações. As fontes de água estão cada vez mais saturadas e os processos de tratamento mais sofisticados. O objetivo deste estudo foi avaliar a viabilidade técnico-econômica da implantação do tratamento eletromagnético para água de resfriamento em indústrias químicas, substituindo ou complementando o tratamento químico convencional. O texto descreve inicialmente os fundamentos do tratamento de água baseado na aplicação de campo eletromagnético e, em seguida, os efeitos do uso dessa tecnologia sobre custos anuais de resfriamento em um caso típico da indústria química. Neste estudo foi dada ênfase ao efeito sobre os custos anuais da menor adição de produtos químicos, redução na vazão de purga e de reposição de água, além da redução na frequência de limpeza dos equipamentos e redução da carga poluente nos efluentes líquidos. O estudo foi aplicado a uma torre de resfriamento industrial, para a qual foi elaborado um modelo matemático considerando as taxas de consumo e especificações de água de resfriamento, além de parâmetros do processo de tratamento de água convencional e eletromagnético. São apresentados resultados de um estudo de sensibilidade para diferentes cenários, em que são identificados os fatores com maior efeito sobre os custos. Além disso, na aplicação ao sistema proposto, são estimadas condições ótimas de operação, considerando os ciclos de concentração para os quais pode haver maior redução de custos. Utilizando-se o tratamento eletromagnético para a água de resfriamento, há uma economia significativa, pois o número de paradas para a manutenção dos equipamentos pode ser reduzido. Dessa forma, o produto final do trabalho constitui-se em uma estrutura de cálculo voltada à estimação de custo do tratamento físico de água de resfriamento, o qual pode ser aplicado a diferentes cenários e condições de operação industrial. / The industrial sector is a major water user and in most situations is located next to urban areas, in a situation of increasing difficulty in collecting and treating water resources for its operations. The water sources are becoming more saturated and thus demanding more sophisticated treatment processes. The aim of this study was to evaluate the technical and economic feasibility of the implementation of electromagnetic treatment of cooling water in chemical industries, thus replacing or complementing the conventional chemical treatment. The text initially describes the principles of the physical process for water treatment based on the application of an electromagnetic field, and then focuses on the effects of the use of this technology on the annual costs of cooling in a typical case of the chemical industry. The study is focused on the effects of the electromagnetic treatment on the annual cost of cooling in view of the reduced consumption of chemicals, as well as reduction in purge flow and water replacement, reduced frequency of equipment cleaning, and reduction of pollution load caused by wastewater. The study results were applied to an industrial cooling tower for which a mathematical model was developed by considering consumption rates and cooling water specifications, as well as parameters of the electromagnetic and conventional water treatment processes. A sensitivity study was carried out for different scenarios, in which the most important factors affecting the annual cost are identified, and optimal process conditions are estimated for maximum concentration cycles. The study shows that the use of electromagnetic treatment for cooling water results in significant savings due to the reduced number of maintenance periods. The final product of this study is a calculation structure for cost estimation related to the physical treatment of cooling water, which can be applied to different scenarios and industrial operation conditions.