Reaprovechamiento y ahorro del agua

Otimização do consumo de água e reaproveitamento num circuito de refrigeração industrial

Lisboa, 02 de setembro de 2021, Jordi Ruiz, Doutor em Engenharia Quimica, Dpto I+D

Neste caso de êxito, estuda-se a otimização do consumo de água numa instalação da região este da Península Ibérica com 8 condensadores evaporativos. A Adiquímica, graças ao seu software de equilíbrios iónicos Adic-Ionic ®, permite um reaproveitamento de água da instalação e gerar uma poupança de agua superior a 27%.

Objetivos de um circuito de refrigeração para a poupança de água

O tratamento da água num circuito de refrigeração industrial apresenta os seguintes objetivos;

  • Manter o circuito em condições nominais de transferência de calor; a utilização de anti-incrustantes e compostos dispersantes evita a deposição, em forma de incrustações, de sais de baixa solubilidade ou óxidos metálicos que poderiam oferecer uma resistência ao fluxo de calor nas superfícies de transferência diminuindo o rendimento do sistema.
  • Evitar o desenvolvimento de processos de corrosão metálica; a presença de certas espécies químicas dissolvidas na água pode levar à deterioração das superfícies metálicas tanto das linhas de circulação de água como dos própios permutadores. O uso de inibidores de corrosão específicos evita este tipo de processos, alargando o tempo de vida útil da instalação e reduzindo os custos de manutenção do circuito.
  • Controlar o crescimento microbiológico; circuitos fechados com elevados tempos de residência ou circuitos semi-abertos em contacto com a atmosfera podem sofrer processos de contaminação microbiológica de distinta natureza. Alguns destes processos estão relacionados com fenómenos de corrosão devidos ao aparecimento de subprodutos do metabolismo bacteriano ou ao própio desaparecimento de alguns inibidores de corrosão. O uso de produtos de efeito biocida evita o crescimento microbiológico, como por exemplo a Legionella e os seus efeitos adversos no circuito e, em alguns casos, na saúde das pessoas.

Num circuito de refrigeração baseado num dispositivo de arrefecimento evaporativo como ferramenta de dissipção de calor, estes objetivos definidos anteriormente devem compatibilizar-se com o da máxima poupança possível no consumo de água. Sistemas baseados em torres de refrigeração ou em condensadores evaporativos apresentam um certo consumo de água devido à evaporação parcial da água de recirculação e às purgas de desconcentração salina que se aplicam nestes sistemas.

O tratamento químico aplicado e a estratégia de operação implementada devem permitir a máxima poupança de água possível na instalação sem chegar a comprometer o rendimento de troca de calor e a metalurgia do sistema. Uma vez otimizado o consumo de água desde a fase de desenho do própio tratamento podem-se começar a avaliar distintas estratégias de poupança e reaproveitamento de água, neste caso da corrente de purga.

Caso de estudo para a poupança de água

O caso apresentado neste documento baseia-se num circuito de climatização. Está situado num centro logístico de armazenamento e distribuição de alimentos da zona este da Península Ibérica. Conta com 8 condensadores evaporativos como elementos de dissipação de calor. A composição da água de aporte ao circuito de refrigeração detalha-se na tabela 1. As características de operação prévias ao estudo detalham-se na tabela 2.

Parâmetro Valor Unidades
pH 7,7
Alcalinidad M 2,2 meq/L
[Ca] 71,3 mg/L
[Mg] 18,1 mg/L
[Cl] 46,3 mg/L
[NO3] 57 mg/L
[SO4] 63 mg/L
[PO4] 0 mg PO4/L

Tabela 1.- Composição analítica da água de reposição do circuito de refrigeração motivo de estudo.

Parâmetro Valor Unidades
Caudal recirculação 1480 m3/h
Salto térmico 5 ºC
Evaporação 9,68 m3/h
Aporte 20,1 m3/h
Purga 9,68 m3/h
Outros 0,74 m3/h
Fator de concentração 2
Consumo anual de água 131300 m3/ano

Tabela 2.- Operação do circuito de refrigeração prévia ao estudo de otimização de consumos de água.

1.1. Poupança de água por otimização do fator de concentração

O software proprietário Adic-Ionic ® permite, a diferentes regimes simulados de operação, calcular a distribuição de espécies químicas na água de recirculação de um circuito de arrefecimento evaporativo. Isto é possível a partir da composição analítica da água de reposição ao mesmo.  O uso desta ferramenta é imprescindível para simular o comportamento da água no circuito e a previsão dos potenciais de incrustação de determinados sais, entre eles o carbonato de cálcio (CaCO3) e o fosfato de cálcio (Ca3(PO4)2). Desta forma, é possível a avaliação e validação de possíveis estratégias operativas antes da sua implementação em campo.

A partir de Adic-Ionic e da composição analítica da água de reposição ao circuito detalhada na tabela 1, determina-se que, com um tratamento químico adequado, é possível operar a um fator de concentração superior ao atual antes de começar a detetar problemáticas de distinta natureza no circuito.

As figuras 1, 2 y 3 mostram as percentagens alcançadas dos índices de sobressaturação máximos admissíveis para as espécies salinas de maior suscetibilidade de precipitação neste tipo de circuitos. Em concreto:

  • A figura 1 mostra os valores alcançados na ausência de tratamento para um fator de concentração de 2 unidades.
  • A figura 2 mostra estes mesmos valores com um tratamento químico em base a Adiclene 1221 a 2 ciclos de concentração.
  • A figura 3 mostra as percentagens alcançadas dos índices de sobressaturação a 3.15 ciclos de concentração com um tratamento químico em base a Adiclene 1221.

Figura 1.- Percentagens alcançadas dos índices de sobressaturação máximos admissíveis para CaCO3, Mg(OH)2, Zn(OH)2, Ca3(PO4)2, CaSO4, e MgCO3 às condições simuladas da água de recirculação, fator de concentração 2 e temperatura de 45ºC. Sem tratamento químico.

Figura 2.- Percentagens alcançadas dos índices de sobressaturação máximos admissíveis para CaCO3, Mg(OH)2, Zn(OH)2, Ca3(PO4)2, CaSO4, y MgCO3 às condições simuladas da água de recirculação, fator de concentração 2 e temperatura de 45ºC. Com tratamento em base a Adiclene 1221.

Figura 3.- Percentagens alcançadoas dos índices de sobressaturação máximos admissíveis para CaCO3, Mg(OH)2, Zn(OH)2, Ca3(PO4)2, CaSO4, y MgCO3 às condições simuladas da água de recirculação, fator de concentração 3.15 e temperatura de 45ºC. Com tratamento em base a Adiclene 1221.

Tal como se observa nas figuras anteriores, mediante um tratamento com Adiclene 1221 é possível aumentar o fator de concentração atual fixado em 2 até 3.15, com uma repercussão importante no consumo anual de água na instalação. Os valores de operação mostram-se na tabela 3. A implementação destas novas condições supõe uma poupança de aproximadamente 27% no consumo de água na instalação.

Parâmetro Valor Unidades
Caudal recirculação 1480 m3/h
Salto térmico 5 ºC
Evaporação 9,68 m3/h
Aporte 14,63 m3/h
Purga 4,5 m3/h
Outros 0,74 m3/h
Fator de concentração 3.15
Consumo anual de água 95592 m3/ano
Poupança de água em relação ao atual 27,2 %

Tabela 2.- Operação do circuito de refrigeração às novas condições com base às projeções feitas com Adic-Ionic.

1.2. Medidas para a poupança de água

Como medida de aproveitamento de água no centro considera-se o uso da água das purgas do sistema de refrigeração nas descargas das instalações sanitárias. Dado o tratamento biocida implementado no sistema de refrigeração, não obstante, é necessário neutralizar o princípio ativo utilizado previamente a reutilizar a água. Isto supõe a instalação de uma estação específica de tratamento. O esquema da estação detalha-se na figura 4.

Figura 4. Estación de tratamiento de purgas de refrigeración

Figura 4.- Estação de tratamento de purgas de refrigeração para o seu uso em descargas de instalações sanitárias.

Tal como se detalha na figura 4, as purgas dos distintos dispositivos de arrefecimento evaporativo conduzem-se a um depósito pulmão contabilizando-se através de um contador com emissor de impulsos. A neutralização do princípio ativo biocida realiza-se a dois níveis:

  • Primeira etapa de neutralização com base no volume de água aportado ao depósito de purgas.
  • Etapa de afinação da neutralização; a água do depósito recircula-se e efetua-se uma medição em contínuo do princípio ativo biocida. Os valores detetados alimentam um laço de controlo em que uma bomba doseadora de neutralizante específico se coloca em funcionamento à frequência necessária para o processo de neutralização.

 

Conclusões

  • Todo o estudo de reaproveitamento da água num circuito de refrigeração deve responder em primeiro lugar à seguinte pergunta: Está o circuito a operar aos ciclos de concentração ótimos com base às características do sistema e à composição da água de reposição?
  • A operação ótima de um circuito de refrigeração é aquela que permite um consumo mínimo de água de reposição sem chegar a comprometer as características nominais de troca de calor nem a metalurgia das zonas de zonas mais críticas do circuito.
  • Neste sentido, a implementação das projeções realizadas a partir do software Adic-Ionic com base nas características do circuito permitiu uma redução de 27% no consumo de água de reposição do sistema. Esta redução é possível graças à operação a um maior fator de concentração e a um tratamento químico com base ao produto Adiclene 1221.
  • A neutralização, na corrente de purga, do princípio ativo biocida doseado no circuito de refrigeração permite a utilização da água de purga nas descargas das instalações sanitárias. Isto significa uma poupança no consumo global do centro a partir da reutilização de uma água que em princípio ficaria descartada. Neste caso é necessária a implementação de um sistema de neutralização adaptado ao tipo de biocida utilizado.

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