Reduzir, Reutilizar, Reciclar: Promovendo a sustentabilidade e a eficiência em sistemas HVAC

Reduzir, Reutilizar, Reciclar: Promovendo a sustentabilidade e a eficiência em sistemas HVAC

Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) consomem grandes quantidades de água e energia. No entanto, se sua instalação estiver procurando maneiras de minimizar o consumo de energia e água, uma variedade de métodos de tratamento e conservação está disponível para ajudá-lo a atingir suas metas por meio de redução, reutilização e reciclagem.

Visão geral do consumo de água e energia

Os principais consumidores de água e energia em sistemas HVAC são caldeiras, circuitos fechados e sistemas de resfriamento.

Caldeiras

Em geral, os sistemas de caldeira fornecem calor para HVAC e outros processos, consumindo bastante energia e potencialmente grandes quantidades de água.

Sistemas de circuito fechado

Os sistemas de circuito fechado são preenchidos com um volume definido de água e não consomem muita água, a menos que haja um vazamento. No entanto, eles consomem energia bombeando água ao redor de uma instalação, geralmente para fins de aquecimento e resfriamento.

Torres de resfriamento

As torres de resfriamento evaporativo consomem muita água e são um dos métodos mais eficientes para ejetar calor de dentro de um edifício ou instalação para a atmosfera.

Resfriamento por água

Refrigeradores

Os chillers refrigerados a ar exigem aproximadamente 1,5 quilowatt por tonelada de resfriamento, enquanto os chillers refrigerados a água usam aproximadamente 0,85 quilowatts por tonelada. Uma tonelada de resfriamento é equivalente a 12.000 Btu.

Os chillers resfriados a ar têm uma capacidade diária muito menor do que os chillers resfriados a água porque exigem mais área de superfície. Sua capacidade é tipicamente limitada a 7,5–500 toneladas de resfriamento, enquanto os resfriadores refrigerados a água podem ser bastante grandes, com uma capacidade de até 4.000 toneladas.

 Resfriadores resfriados a arResfriadores resfriados a água
Eficiência1,5 kW/tonelada de refrigeração0,85 kW/tonelada de refrigeração
Capacidade7,5–500 toneladas10–4.000 toneladas

Torres de resfriamento

O objetivo de uma torre de resfriamento evaporativo é maximizar a área de superfície do fluxo de água para transferir calor para a atmosfera através da evaporação da água. O ar é puxado para cima através da água que cai ou pulveriza através da torre de resfriamento, e o calor é retirado. Esse processo pode desperdiçar muita água se não for otimizado com tratamento e controle adequados; portanto, as torres de resfriamento devem ser um dos primeiros equipamentos que você avalia ao tentar reduzir o uso de água.

Este gráfico representa a relação entre a água de reposição adicionada a uma torre de resfriamento, purga descarregada, evaporação e ciclos de concentração. A quantidade de evaporação depende da quantidade de calor adicionada à água de resfriamento pelos processos do sistema. Esse calor é removido e ejetado para a atmosfera externa. Isso é relativamente constante, conforme ditado pelo calor expelido pelo resfriador para a água. Cada libra de água evaporada através da torre remove quase 1.000 Btu de calor.

A quantidade de água de reposição e purga depende dos ciclos de concentração, ou quantas vezes cada volume de água é evaporado. Em um sistema de passagem única, a água que passa pela torre é enviada diretamente para o dreno. Essas torres de resfriamento evaporativo consomem a maior quantidade de água. Sem controlar a purga, 1,25–1,50 ciclos é a faixa típica. Com algum controle de purga, em 2 ciclo de concentração, o requisito de água de reposição cai de 3.000 para 2.000 gpm, uma redução de mais de 30%. As economias aumentam ainda mais de 2 para 3 ciclos com uma redução de 25%; no entanto, à medida que o nível se aproxima do volume constante de água evaporada (indicado pela linha azul no gráfico acima), os retornos começam a diminuir.

O aumento dos ciclos pode contribuir para uma maior concentração mineral à medida que a água evapora, o que pode levar à incrustação e incrustação. Esses problemas precisam ser controlados para manter a eficiência do sistema.

Sustentabilidade HVAC: Manutenção de equipamentos

Na instalação, o novo equipamento funciona com a máxima eficiência. O objetivo de um bom programa de tratamento de água é manter os equipamentos em condições como novas, conforme fabricados, mantendo as superfícies limpas e mitigando a corrosão e as flores microbiológicas. A incrustação de minerais dissolvidos na água de reposição pode isolar superfícies de transferência de calor se não forem gerenciadas adequadamente. Os depósitos de corrosão nas superfícies do trocador de calor representam outro risco, assim como a corrosão direta da superfície do trocador causada pelo fluxo de calor. Os produtos de corrosão podem isolar as superfícies do trocador de calor, prejudicando o desempenho do equipamento e exigindo maior energia para alcançar o mesmo grau de resfriamento.

O uso de água de reposição de alta qualidade ajuda a preservar a condição de fabricação do equipamento. Além disso, o potencial de incrustação deve ser equilibrado com o grau máximo de evaporação.

Ao buscar melhorar a sustentabilidade, fontes alternativas de água de reposição devem ser investigadas para complementar e reduzir a fonte primária de reposição. Uma equipe de tratamento de água treinada pode auditar seus sistemas de água e apresentar fontes sugeridas de água de reutilização.

Por que os inibidores químicos são necessários?

Inibidores químicos são usados para mitigar os processos inter-relacionados de deposição de corrosão e bioincrustação de bactérias e algas ou vida vegetal. A corrosão pode levar à deposição, e a corrosão e a deposição podem levar à bioincrustação. Esses problemas afetarão negativamente a eficiência do sistema.

Conservar energia mantendo a limpeza

Se você deseja economizar energia em sua instalação, tenha em mente o seguinte:

  • Sistemas sujos não são tão eficientes quanto sistemas limpos. Eles exigem mais água de bombeamento para alcançar o mesmo grau de resfriamento porque as superfícies não estão sendo resfriadas de forma eficaz. A incrustação também pode desviar o fluxo através do enchimento da torre, isolar a transferência de calor e colocar maior pressão nas bombas do sistema.
  • A incrustação mineral da água de reposição e a incrustação microbiológica podem fazer com que mais energia seja consumida e impedir a transferência de calor e o resfriamento.
  • Se incrustados, os trocadores de calor podem se tornar grandes consumidores de energia desperdiçada.
    • 1/16 polegada de incrustação nas superfícies do trocador de calor em um resfriador de 500 toneladas poderia facilmente causar consumo de mais de US$ 100.000 em energia em comparação com US$ 80.000 se estivesse limpo. Esse consumo está diretamente relacionado às emissões de gases do efeito estufa, que aumentariam proporcionalmente.
Resfriador de 500-TonLimpar condensadorCondensador em escala
Custos elétricosUS$ 80.000/anoUS$ 105.000/ano
Uso de água7.200.000 galões/ano7.200.000 galões/ano
Geração de CO22.500.000 libras/ano3.310.000 libras/ano

Gestão de recursos hídricos

A reciclagem de água envolve o tratamento de fluxos de água inadequados, investindo em tratamento e equipamentos para obter água de alta qualidade.

Reduzir

O primeiro passo para reduzir o uso de água é garantir que os sistemas estejam operando com a máxima eficiência. As estratégias podem incluir:

  • Revisar as práticas de trabalho para eliminar o desperdício, reparando imediatamente quaisquer vazamentos
  • Otimizar o uso da fonte de água
  • Melhorar a eficiência do equipamento aumentando os ciclos de concentração para resfriamento evaporativo
  • Conservando a água através da educação

Educar-se sobre as operações e necessidades do seu sistema é um passo vital para uma redução eficaz da água e da energia. Isso pode consistir em:

  • Conhecer os pontos de ajuste ideais para sua torre de resfriamento para evitar desperdícios quando o sistema não estiver operando nos ciclos máximos de concentração com base na química da água de reposição
  • Maximização dos ciclos do sistema de caldeira
  • Limpeza imediata de superfícies sujas para evitar comprometimento de energia
  • Mitigar a corrosão do equipamento para evitar o consumo adicional de CO2 associado à fabricação e substituição de equipamentos e tubulações
  • Manter o desempenho do sistema para minimizar a necessidade de remediação
    • Embora a limpeza de um sistema sujo com ácido possa ser eficaz, ela também pode causar corrosão e prejudicar o equipamento, desperdiçando energia e água. É uma prática recomendada manter a limpeza do sistema em vez de esperar que ocorra incrustação antes de resolver problemas do sistema.

Reutilização

Dependendo de sua qualidade, parte da água usada em sua instalação pode ser reutilizada em outros processos sem exigir um investimento pesado em equipamentos de pré-tratamento.

Examine a qualidade de qualquer água que você queira adicionar aos fluxos de diluente. Se a qualidade da água for suficiente para reutilização em outros processos, você pode instalar equipamentos para capturar essa água e encaná-la em um local utilizável.

Por exemplo, a purga da caldeira pode substituir a água da cidade em circuitos fechados, eliminando adições de caldeira ao fluxo de descarga e reduzindo custos.

Reciclar

A água da torre de resfriamento não é reutilizável se um componente na água estiver em sua concentração máxima estável, limitando o ciclo adicional. Uma torre de resfriamento operando eficientemente maximizará a concentração dos minerais na água. A água concentrada resultante pode contribuir para a incrustação quando reutilizada se não for tratada adequadamente para remover sólidos dissolvidos.

A reciclagem da água saturada da torre de resfriamento envolve a captura de efluentes e a instalação de equipamentos como sistemas de osmose reversa (OR) ou amaciantes para remover cálcio e magnésio, os dois principais componentes da formação de incrustação causada pelo excesso de ciclo.

Água cinzenta municipal

Muitas plantas subutilizam a água cinzenta gerada em suas instalações municipais locais. A água cinza é diferente da água que contém esgoto; normalmente vem de aplicações de lavagem (chuveiro, máquinas de lavar, etc.). 

Vantagens de usar água cinza

  • Custa menos do que a água da cidade
  • Reduz a descarga de efluentes para o fluxo de recebimento
  • Tem menos problemas de qualidade (como salinidade e brackishness) do que fontes secundárias alternativas de água, como águas de superfície
  • Contém alguns produtos químicos de tratamento, como cloro ou um inibidor de incrustação ou corrosão

Desafios de usar água cinza

  • A qualidade varia conforme os processos industriais e o tratamento mudam
  • Altos níveis de orgânicos aumentam o risco de flores microbiológicas e demanda de cloro
  • Altas concentrações de fosfato podem contribuir para a deposição e adicionar nutrientes para bactérias e algas
  • Pode conter ou produzir patógenos transportados pelo ar, como Legionella
  • A presença de amônia pode aumentar a demanda de cloro e nitrificar bactérias e causar corrosão de liga de cobre

Serviços de sustentabilidade

Auditorias e relatórios

A equipe da ChemTreat pode avaliar seu programa de tratamento existente e os dados históricos do sistema para obter uma compreensão profunda de como a água é usada em suas instalações. Durante a visita à sua fábrica, nossos representantes podem criar um esboço dos sistemas de água, que nossa equipe de Design Visual pode transformar em um esquema detalhado para sua referência.

Essas ilustrações são úteis para ajudar a entender como a água é equilibrada através de uma instalação, onde a água está fluindo e onde é descarregada.

Nossos representantes anotarão áreas em seus sistemas onde a energia e/ou a água estão sendo desperdiçadas e trabalharão com nossos especialistas no assunto para elaborar um relatório descrevendo as recomendações para melhorias do sistema.

 

Modelagem por computador

Programas de computador como o software inteligente de gerenciamento de água CTVista®+ da ChemTreat fornecem informações adicionais para aumentar as auditorias presenciais. Usamos programas de modelagem de água internos e de terceiros para elaborar recomendações para otimizar o uso da água.

Esses programas podem aconselhar sobre os principais parâmetros do sistema, como pH e saturação de minerais, como cálcio, magnésio e sílica. O Índice de Saturação de Langelier pode ser usado para determinar a faixa ideal para operação sem desperdício de água. Uma boa janela de operação inclui evitar:

  • Evaporação de água em excesso e excesso de concentração de minerais até que eles se tornem incontroláveis e se precipitem nas superfícies do trocador de calor
  • Subciclagem e desperdício de água de boa qualidade

Automação

A automação é recomendada para otimizar sistemas de resfriamento e ajudar a evitar desperdícios e incrustações. Mesmo os pequenos níveis de incrustação são cumulativos e podem acabar prejudicando a eficiência, portanto, recomenda-se corrigir os problemas o mais rápido possível.

A automação oferece controle e monitoramento on-line superiores de produtos químicos para tratamento de água. Os dados coletados pela tecnologia de automação também melhoram o monitoramento de KPI para garantir que os resultados sejam alcançados e mantidos.

Métodos tradicionais para monitorar e controlar sistemas de água envolvem amostras de coleta e testes de bancada para analisar marcadores inertes presentes no tratamento químico. Esses produtos químicos rastreados podem apresentar custos de tratamento aumentados.

Métodos mais recentes usam eletrodos seletivos de íons para ler diretamente os níveis de inibidores, eliminando a necessidade de amostragem e condicionamento de água. Esses sensores de baixa manutenção podem emitir informações para o software de registro de dados. Parâmetros específicos como fluxo de água, temperatura, pH etc. podem ser rastreados para alertar os operadores quando a qualidade da água estiver fora dos limites especificados.

Softwares como o CTVista+ também podem compilar dados coletados para gerar relatórios que podem ser enviados aos operadores regularmente para aumentar a visibilidade das tendências do sistema e oferecer informações sobre onde os ajustes podem ser necessários.

Análise de dados e tecnologia preditiva

Softwares de modelagem, como o Programa de Monitoramento de Desempenho do Condensador da ChemTreat, podem coletar dados da fábrica e analisá-los para ajudar a identificar problemas específicos do sistema, bem como fornecer orientação para solução de problemas. Essas ferramentas também podem ajudar a determinar quando uma limpeza do sistema é necessária para manter a eficiência.

Avanços no desenvolvimento químico do tratamento da água

Em um programa holístico de tratamento de água, todos os sistemas conectados em uma instalação ou campus são avaliados para garantir que o desempenho a jusante não seja afetado negativamente pelo tratamento a montante. Produtos químicos como fosfatos, por exemplo, não devem ser adicionados se os sistemas downstream estiverem tendo problemas com bactérias.

Além disso, alguns inibidores são limitados pela EPA, dificultando a aplicação de produto suficiente para alcançar os resultados/proteção desejados.

Não é incomum que um programa de sistema de resfriamento contenha fosfato, potássio ou nitrogênio, que atuam como macronutrientes e dificultam a mitigação de algas e flores bacterianas. Esta é uma grande razão pela qual a EPA limita esses itens na descarga.

A aplicação de inibidores com custo otimizado pode aumentar os ganhos de sustentabilidade. Por exemplo, o inibidor exclusivo FlexPro® da ChemTreat oferece uma opção de tratamento não incrustante.

O fosfato reage com o cálcio para formar incrustação de fosfato de cálcio nas superfícies do trocador de calor. Os gráficos a seguir ilustram a relação entre a temperatura da parede da água ou do tubo e a resistência à transferência de calor. Este exemplo está em um local da Costa do Golfo usando tratamento com fosfato durante um verão muito quente. A alta temperatura aumentou a saturação e causou incrustação de fosfato, o que prejudicou o desempenho. Os operadores realizaram limpezas ácidas periódicas durante todo o verão para restaurar a transferência de calor e remover a incrustação de fosfato de cálcio.

A ChemTreat removeu fosfato do programa para obter excelente proteção contra corrosão sem incrustar os trocadores de calor. A transferência de calor foi mantida mesmo em dias quentes de verão, permitindo que a instalação permanecesse on-line por mais tempo, reduzindo a frequência de limpezas ácidas. Isso melhorou a perspectiva ambiental do local, pois as limpezas ácidas podem expelir contaminantes para as estações de águas residuais e o meio ambiente, ao mesmo tempo em que elevam as emissões de gases de efeito estufa aumentando a quantidade de sólidos e fosfatos na água de descarga.

Os resultados são apenas exemplos. Não são garantidos. Os resultados reais podem variar.

Resumo

Para melhorar a sustentabilidade dos seus sistemas de água e programas de tratamento, é importante ter em mente as seguintes etapas:

Etapa 1: Reduzir o consumo de água e energia

  • Garantir que o equipamento esteja operando com a máxima eficiência
  • Usar dados históricos de temperaturas da água e consumo de energia de quando o equipamento era novo para comparar o desempenho
  • Operar com eficiência máxima e ciclos de concentração, minimizando o consumo de água

Etapa 2: Água reciclada

Trabalhe com seu fornecedor de tratamento de água para encontrar maneiras de reutilizar a água em suas instalações. Fontes de água, como condensado do manipulador de ar e água da chuva, tendem a conter poucos contaminantes e não exigem muito pré-tratamento para reutilização.

Etapa 3: Reciclar água com ofertas de tecnologia avançada

Mesmo a água do mar ou água com altos níveis de sólidos dissolvidos pode ser reciclada nos processos da fábrica se o equipamento adequado estiver no lugar. Investir em sistemas de filtração e/ou OR pode ajudar sua instalação a reciclar mais água.

Assim como ocorre com todas as outras tecnologias, a diligência prévia é necessária para determinar a viabilidade da utilização desses métodos. É sempre importante consultar seus manuais e guias de equipamentos e buscar orientação de seu representante local de tratamento de água para atender às suas necessidades específicas.

Conheça o especialista:

Richard H. Tribble

Consultor de serviços técnicos

Richard H. Tribble é formado pela Virginia Commonwealth University e trabalha no tratamento de água desde 1996. Ele desenvolveu uma infinidade de formulações de produtos de resfriamento de alto desempenho, tem 6 patente sob seu nome e é autor de vários artigos. Atualmente, ele trabalha como campeão de produtos de circuito fechado da ChemTreat, além de se especializar na análise de falhas de causa raiz.