Por quê manter a pressão da linha de água gelada? De acordo Amanda Salamone, gerente comercial regional da IMI Hydronic, o controle da pressão em sistemas de água gelada é necessário para garantir que a pressão do sistema não ultrapasse a pressão máxima suportada pelos componentes instalados (em caso de aumento de temperatura do fluido e, consequentemente, a sua expansão), e para assegurar a pressão positiva em todos os pontos do sistema, evitando a migração de ar para dentro da linha.

“A não garantia da pressão positiva no sistema, proporciona ambientes propícios à migração do ar para dentro da linha, ocasionando a redução no desempenho dos trocadores de calor; aumento na ocorrência de ruídos; probabilidade de ocorrência de cavitação; corrosão e erosão como vazamento em tubos; depósito de ferrugem e/ou magnetita e danos ao sistema de bombeamento. Um exemplo de bolhas e corrosão pode ser visto na Figura 1”, explica Amanda.

Figura 1 – Bolhas e sujidades causa danos ao sistema de bombeamento

Ela informa ainda que o dispositivo responsável em manter a pressão no sistema de ar condicionado de expansão indireta, por exemplo, é o tanque de expansão, sendo que o mesmo poderá ser um tanque de expansão atmosférico (antiga caixa d’água) ou um tanque de expansão pressurizado, conforme ilustra a Figura 2. Já para a manutenção da pressão em sistemas abertos de água gelada, deve-se prever, além do tanque propriamente dito, a estrutura civil e a boia de nível. “A necessidade destes dois componentes deve-se ao fato de os tanques atmosféricos precisarem estar posicionados 3 metros acima do ponto mais alto do sistema e de um dispositivo que controle o nível do fluido para evitar a falta de pressão no sistema ou o transbordo do fluido. Para os sistemas que contemplarem este tipo de expansão (atmosférica/aberta), a reposição de água será realizada diretamente pelo tanque e terá a boia de nível como parâmetro de acionamento”.

Daniel Andrade, engenheiro de desenvolvimento de negócios da Danfoss, acrescenta que a pressurização do sistema de água gelada é fundamental para garantir o diferencial de pressão mínimo nos consumidores críticos do sistema: “A falta de pressão na linha do sistema de distribuição de água gelada resulta em um volume de água deficiente nos consumidores, além de afetar a turbulência da água nos consumidores, o que influencia na troca térmica”, diz Andrade.

Ele chama a atenção para a utilização de variadores de frequência nas bombas, transmissores de pressão e válvulas de controle e balanceamento independente de pressão, componentes importantes para garantir a pressão nos sistemas de água gelada. E para garantir a manutenção da pressão da água gelada em sistemas abertos, Andrade recomenda a utilização de transmissores de pressão que, de acordo com a Ashrae, devem ser instalados nos pontos críticos da tubulação. Associado aos transmissores de pressão, é importante a utilização de variadores de frequência nas bombas do sistema, propiciando um consumo racional de energia.

Reposição e compensação da água para sistemas abertos e fechados

Segundo o engenheiro da Danfoss, geralmente em sistemas abertos a reposição de água se faz na própria torre de resfriamento. “Nesse tipo de sistema, é válido recomendar que o usuário tenha atenção aos níveis de O2 que, consequentemente, aumentam na reposição de água. Níveis elevados de O2 podem provocar corrosão na tubulação (dependendo do tipo de material) e nos componentes (como válvulas e bombas) do sistema. Em sistemas fechados podemos ter a utilização de caixas de água como uma coluna estática de água e, sendo assim, a reposição de água se faz diretamente na própria caixa. Outro tipo de sistema utilizado é o de tanques pulmão, onde há um ponto de admissão de água no próprio tanque. Para a pressurização da água em sistemas fechados é comum a utilização de tanques pulmão, que são elementos válidos, porém, de alto custo para o sistema. Outra forma de pressurização de um sistema fechado é a utilização de caixas d’água que funcionam com uma coluna estática de água para o sistema. Nesse segundo caso, possui um custo menor, mas depende naturalmente das premissas e características de cada projeto”.

Resíduo da tubulação

Andrade recomenda, tanto para sistemas fechados, quanto abertos, o uso de transmissores de pressão e variadores de frequência nas bombas. Outro elemento de grande auxílio em sistemas pressurizados são as válvulas de controle e balanceamento independente de pressão que asseguram maior eficiência de troca térmica e melhor eficiência energética.

“Em sistemas fechados de água gelada”, diz Salamone, “a reposição de água é realizada de forma independente do tanque. O tanque de expansão absorverá a dilatação do fluido de acordo com a condição operacional do sistema e manterá a pressão sempre positiva. Quando houver o decréscimo da pressão na linha, ocasionada pela perda de água em um processo de manutenção ou a ruptura da tubulação, o sistema de reposição de água entrará em ação para garantir a estabilização da pressão desejada na linha. A solução prevista para a reposição de água poderá ser fornecida por um fabricante especializado, como o modelo PLENO PI 6.1 da IMI Hydronic Engineering, ou uma solução in loco que permita tal operação. Em suma, o sistema de pressurização é composto por tanque de expansão pressurizado, sistema de reposição de água com ou sem bomba, válvula de bloqueio e dreno no fechamento hidráulico do tanque, e válvula de segurança”.

Dentre os itens fundamentais para a realização da reposição de água, a gerente comercial da IMI destaca o sensor de pressão, válvula motorizada e bomba, caso a pressão vinda da reposição não seja forte o bastante para introduzir o fluido no sistema.

Sobre as diferenças e vantagens de cada um, Andrade explica que pela definição da termodinâmica, um sistema fechado consiste no encerramento por uma fronteira que permite trocas de energia, mas não de matéria. “Nos sistemas abertos, a principal vantagem é a eficiência do chiller na condensação e a possibilidade de manter o mesmo em local recluso. Por outro lado, existe um aumento nos custos de instalação devido à necessidade de aquisição de torres de resfriamento maiores que o espaço físico. Já nos sistemas fechados, os custos de operação são geralmente menores e, por não precisar repor água, os níveis de O2 são mantidos baixos. Com isso, há maior durabilidade das tubulações e dos componentes. Como desvantagem, temos os custos de instalação, que são geralmente maiores”.

Salamone explica, ainda, que para garantir a pressurização do sistema aberto o tanque de expansão atmosférico deve ser instalado acima do ponto mais alto da linha, respeitando o desnível mínimo de 3 metros. Outra característica construtiva do tanque aberto está no contato direto entre a água e o ar, o que permite a migração do oxigênio pelo processo de difusão. “O desequilíbrio existente entre as cargas parciais de oxigênio presentes na atmosfera e o sistema, faz com que o ciclo entre a extração do ar (por meio dos purgadores, separadores de microbolhas e degaseificadores ou pelo consumo do oxigênio no processo de corrosão) e a sua realimentação (pelo processo de difusão) ocorra de forma desenfreada e sem nenhum controle”.

Ela continua: “Diferentemente dos tanques atmosféricos, os tanques pressurizados podem ser posicionados em qualquer ponto da linha, sem a necessidade de estrutura civil para a sua instalação. Para este tipo de tanque, a pressão mínima do sistema pode ser garantida de forma mecânica (carga fixa de ar), por atuação de compressores ou bombeamento. Cada tipo de atuação dependerá do modelo selecionado. A separação física entre o ar e o fluido exercida pela bolsa interna do tanque garantirá uma redução significativa da migração do ar para dentro do sistema através do processo de difusão, sendo crucial a avaliação da qualidade da borracha para garantir ao máximo a sua impermeabilização no que diz respeito ao ar.”

Um exemplo é o JCPM Trade Center, localizado em Recife (PE), um edifício de 20 pavimentos de escritórios e cinco de garagens. Por tratar-se de um edifício alto, dois trocadores de calor a placa foram instalados, separando os sistemas primário e secundário, por onde circula a água da rede, para evitar a transmissão da pressão hidrostática para a CAG. O fato de o prédio ser muito mais alto do que o tanque de acumulação, fez com que o sistema fosse todo pressurizado. Com isto, optou-se por tanque de expansão fechado na base do prédio, menos sujeito a vazamentos e a contaminação, além do duplo bombeamento para atender cargas reduzidas.

Leandro Medea, engenheiro da Belimo, alerta: “Quando as válvulas de controle e balanceamento dependentes de pressão trabalham fora dos parâmetros de projeto, pode ocorrer excesso ou falta de água no sistema e prejudicar o funcionamento dos trocadores de calor, causar desperdício de energia com bombeamento de água e problemas de conforto para o usuário. Os trocadores de calor são projetados para trabalhar com diferencial de pressão e vazão específica e as válvulas de balanceamento são responsáveis por manter o sistema adequado para o bom funcionamento. Com o correto balanceamento do sistema, é possível conseguir a melhor eficiência energética, conforto térmico e o bom funcionamento de todo o sistema de AVAC. Atualmente, já estão disponíveis válvulas que realizam o balanceamento dinâmico com dispositivos eletrônicos do sistema. Essas válvulas possuem um medidor de vazão eletrônico que possibilita medir e manter o correto fluxo de projeto do trocador e se adaptam às variações de pressão do sistema sem prejudicar o rendimento dos trocadores”.

Bolhas, sujidades e incrustações

A qualidade da água nos sistemas de climatização é um tema que tem ganhado importância crescente. Os problemas mais evidentes surgem nos elevados níveis de corrosão e nas incrustações e calcário originado nos chillers, bombas, tubulações e acessórios de conexão, assim como outros componentes metálicos que constituem o sistema, incluindo um conjunto crescente de dispositivos de controle e proteção, cada vez mais importantes na gestão dos sistemas. Um sistema de manutenção de pressão de sistemas fechados, combinado com a gestão adequada de água de reposição, é a melhor garantia para o funcionamento confiável de uma instalação.

“Em sistemas abertos a recomendação para a limpeza seria o método de flush. A Danfoss possui atuadores, como o NovoCon, que são excelentes para a automação do sistema, proporcionando ao usuário a realização do flush com apenas um click na tela do supervisório. Além disso, é importante a utilização de filtros Y, naturalmente mantendo a limpeza periódica, como proteção aos elementos de controles e a utilização de purgadores de ar automáticos. Já para sistemas fechados, no início do comissionamento é normal o aparecimento de sujidades e de bolhas. Por isso é importante a utilização de filtros que protejam as válvulas de controle, bem como a utilização de purgadores de ar que eliminam as bolhas que são nocivas ao sistema. No caso de uma eventual reposição de água ao sistema, os purgadores serão novamente úteis”, recomenda o engenheiro da Danfoss.

Em sistemas de água gelada, Andrade acrescenta que a formação de bolhas de ar é prejudicial, pois pode provocar o fenômeno da cavitação e possíveis corrosões. Além de poder gerar sujidade com o seu desprendimento as incrustações podem ainda provocar uma diminuição da transferência de calor se estiverem localizadas nas serpentinas dos evaporadores/consumidores, além de prejudicar o funcionamento das válvulas de controle.

“Quando se discute a qualidade do fluido em sistemas de água gelada, os dois principais fatores abordados são o ar e a sujidade presentes no sistema. Mesmo ocorrendo o processo de difusão nos tanques atmosféricos, ocasionada pelo contato direto entre a água e o ar, a garantia da pressão positiva no sistema é fundamental para amenizar a migração do ar para dentro do sistema. Esta garantia se dá pelo posicionamento do tanque a 3 m acima do ponto mais alto da linha”, diz.

Uma vez garantida a pressão positiva, parte-se para a discussão dos dispositivos existentes para o combate do ar, classificado em três formatos, sendo eles:

– Livre: Ar presente no formato de um grande colchão, estagnado nos pontos mais altos do sistema (ou preso em algum ponto intermediário, por exemplo, cotovelo). Ar existente durante enchimento do sistema ou durante um processo de manutenção em que ocorre o esvaziamento parcial ou total do sistema;

– Bolhas: Ar carregado pela água na forma de bolhas ou microbolhas;

– Dissolvido: Ar presente no fluido de forma dissolvida, imperceptível à visão humana, porém desprendido do fluido em caso de aumento de temperatura ou redução da pressão.

“Para sistema aberto de água gelada, pode-se combater o ar presente nos dois primeiros formatos discriminados acima (livre e bolha/microbolhas). A solução existente para o combate do ar dissolvido não pode ser aplicada em sistemas abertos, tendo em vista o conflito operacional entre a eliminação deste formato do ar versus a sua migração através do processo de difusão (contato direto do ar com a água permitida no tanque atmosférico)”.

Amanda lista os dispositivos responsáveis pelo combate do ar no formato livre e bolhas/microbolhas:

– Ar Livre à Solução: Purgadores de ar automático purgam automaticamente os gases acumu­lados em seu interior. A água deve estar calma para o purgador funcio­nar, caso contrário as bolhas serão levadas pelo fluxo.

– Ar no formato bolhas à Solução: Separadores de microbolhas, que através do efeito centrífugo e do impacto nas pás do elemento helicoidal existente no interior do separador faz com que as microbolhas fiquem retidas. Com o acúmulo de microbolhas elas crescem, se desprendem do elemento helicoidal e saem pelo purgador existente na parte superior do separador. Para a eliminação da sujeira, além dos filtros Y tradicionais, pode-se considerar separadores de sujeira, instalados em pontos estrategicamente indicados, permitindo uma elevada eficiência na eliminação da sujidade sem a necessidade de interrupção do sistema para a sua limpeza e minimizando a manutenção nos filtros convencionais.

– Sujidade (incluindo magnetita) à Separadores de sujeira integrado à separadores de ar que trabalha através do efeito centrífugo pelo elemento helicoidal existente no interior do separador. Tipo industrial, de aço, para sistemas de água gelada, aquecimento e solar, que suporta até 50% de aditivo anticongelamento. Válvula esfera na parte superior para instalação de purgador e ar para eliminação de ar e válvula esfera na parte inferior para a eliminação de sujeira.

“Levando em consideração que a presença de ar e sujidade na linha estão associados a outros fatores, além do tipo do sistema (circuito aberto ou fechado), como cuidados durante a instalação – correta estocagem das tubulações e demais acessórios, procedimento de flushing garantindo o arraste da sujeira aos filtros/separadores, correto procedimento de enchimento da linha e a presença do ar dissolvido no fluido introduzido no sistema – pode ser que ainda haverá a ocorrência de bolhas, sujidades e incrustações nos sistemas fechados. Assim, deve-se acrescer o equipamento relacionado à eliminação do ar no formado dissolvido, solução que poderá ser aplicada a sistemas fechados através de degaseificadores, quando a eliminação do ar degaseificado é realizada por um sistema de degaseificação ciclônico a vácuo, que combina os efeitos de queda de pressão, atomização e movimento rotacional para a retirada do ar”, finaliza a gerente da IMI.

Ana Paula Basile Pinheiro – anapaula@nteditorial.com.br

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