Aproveitamento de plumas de torre de resfriamento para fornecer água purificada

Uma nova tecnologia que é surpreendentemente simples em princípio promete reduzir significativamente o consumo de água em sistemas de torres de resfriamento evaporativo, capturando água das plumas das torres de resfriamento.

As torres de resfriamento em usinas de energia são essencialmente sistemas de rejeição de calor que usam quantidades significativas de água para dissipar o calor da água recirculante. Nas torres de resfriamento úmidas, o processo envolve a evaporação de uma parte da água circulante, produzindo transferência de calor por meio do calor sensível do ar e do calor latente de evaporação.

Uma preocupação de longa data na indústria de energia envolve a quantidade de perda de água das torres de resfriamento. A água é perdida principalmente por evaporação, que envolve a dissipação de vapor no ar ambiente durante o processo de rejeição de calor. Mas também ocorre durante a descarga, quando a água deve ser removida da torre e substituída para evitar incrustações e formação de incrustações. Alguma água também é perdida devido à deriva, que ocorre quando pequenas gotículas são arrastadas com o fluxo de ar ou vapor que sai, embora as perdas por deriva sejam normalmente mínimas, compreendendo menos de 1% do consumo.

As perdas de água podem ser substanciais. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) sugere que, independentemente da eficiência operacional da torre de resfriamento, cerca de 1,8 galões de água são evaporados para cada tonelada-hora de resfriamento. "As usinas de energia refrigeradas a úmido tradicionais perdem de 60% a 90% de sua entrada de água por evaporação ou deriva da torre de resfriamento", observou Dan Sampson, principal consultor técnico da HDR.

Além de onerosas, essas perdas têm outros efeitos colaterais. Como a evaporação da água requer reposição contínua de uma fonte de água, as preocupações atuais e futuras com a escassez de água podem afetar diretamente a confiabilidade e a viabilidade da usina. Em 2017, dois estudantes de doutorado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Maher Damak e Karim Khalil, e o professor de Engenharia Mecânica do MIT, Kripa Varanasi, decidiram abordar essa questão premente com um foco concentrado nas plumas de usinas de energia.

Quando o vapor sai de uma torre de resfriamento, ele pode, sob certas condições ambientais (geralmente quando o ar ambiente está frio ou úmido), condensar e formar uma nuvem de névoa, observaram os pesquisadores. As plumas há muito representam outra preocupação para a indústria de energia, observaram os pesquisadores. Eles podem ser um incômodo e até perigosos.

"Os requisitos regulamentares relativos à segurança (as plumas à deriva podem reduzir a visibilidade em estradas e aeroportos) e à estética, obrigam algumas torres de arrefecimento a serem equipadas com sistemas de abatimento de plumas, que geralmente aquecem o vapor que sai e diminuem o seu teor de humidade, quer por permutadores de calor, quer por soprando ar quente e seco e misturando-o com o vapor que sai, evitando assim a formação de gotículas de névoa na saída da torre", disseram eles.

Embora esses sistemas de redução possam remover a aparência de uma pluma, uma usina que os utiliza ainda pode consumir a mesma quantidade de água e sofrer uma eficiência energética líquida geral reduzida, devido aos requisitos adicionais de calor redirecionados para as saídas da torre de resfriamento. E embora alguns dispositivos tenham sido projetados para coletar o vapor que sai das torres de resfriamento para reutilização no ciclo, a maioria dos métodos depende da absorção de líquidos ou sólidos, exigindo energia significativa ou equipamentos caros.

1. Esquema demonstrando a localização e o uso da solução adaptável da Infinite Cooling. Cortesia: Resfriamento Infinito / Laboratório Nacional de Tecnologia Energética (NETL)

No âmbito de um projeto promovido pelo MIT Varanasi Research Group, os pesquisadores desenvolveram o Water Panel (Figura 1). Quando o ar rico em névoa é atingido por um feixe de íons, as gotas de água na névoa se tornam eletricamente carregadas. Essas gotículas podem então ser atraídas para uma malha de fios (como uma tela de janela), capturadas e drenadas para um recipiente de coleta. A usina pode reutilizar essa água "colhida" ou enviá-la para o sistema de abastecimento de água de uma cidade.

O sistema é essencialmente um processo de destilação que pode permitir que uma usina de 600 MW capture até 150 milhões de galões de água por ano - o que representa cerca de 20% a 30% da água perdida nas torres de resfriamento, diz a Infinite Cooling. As descobertas de pesquisa e desenvolvimento sugerem que a água capturada pelo sistema normalmente mede abaixo de 50 microsiemens por centímetro - uma medida de condutividade elétrica que mede a contaminação da água. Isso se compara aos 3.000 microsiemens por centímetro que a água usada nos sistemas de resfriamento de usinas de energia normalmente mede.