11 maio 2022

Tratamento de água em instalações hidráulicas de climatização

As instalações de aquecimento estão frequentemente sujeitas a problemas como depósitos e incrustações, perda de eficiência na permuta térmica, altos níveis de ruído, rutura do equipamento e obstruções das linhas.

Estes problemas são provocados, em grande medida, pela qualidade da água e pela presença de ar e impurezas que provocam a formação de incrustações, facilitando o fenómeno da corrosão.

Problemas associados à presença do ar nas instalações hidráulicas:

Os problemas causados pelo ar contido nas instalações hidráulicas podem ser graves e incómodos quer para os utilizadores, quer para os profissionais responsáveis pela instalação. Se estes problemas não forem analisados em profundidade podem conduzir, frequentemente, a soluções que não os resolverão a longo prazo. Inicialmente, é muito importante identificar os fenómenos provocados pela presença de ar na instalação.

Fenómenos provocados pela presença de ar na instalação

Ruído nas tubagens e nos terminais - O ar contido na instalação gera ruído na tubagem e nos órgãos de regulação, devido à presença de bolhas de ar, muito mais evidente na fase de ativação do sistema, ou seja, no momento em que o fluxo começa a circular pelos tubos.
Caudais insuficientes, bloqueio total da circulação e permuta térmica insuficiente entre os terminais de emissão e o ambiente - A circulação pode ser parcial ou totalmente bloqueada por bolhas de ar presentes em alguns pontos da instalação. Este fenómeno é particularmente grave no caso de instalações de chão radiante, podendo também causar desequilíbrios térmicos e um menor rendimento dos radiadores.
Corrosão da instalação - É induzida pelo oxigénio presente no ar e pode conduzir não só ao enfraquecimento, mas também à rutura de componentes como tubagens, radiadores e permutadores de caldeira.
Cavitação - Pode comprometer a duração e o funcionamento, sobretudo, dos circuladores e das válvulas de regulação.

A presença de ar nas instalações de climatização deve-se a muitos fatores:

Ao ar não expulso na fase de enchimento, isto é, ao ar que permanece em nichos não purgados, ou na parte mais alta dos radiadores, ou ainda nos tubos dispostos em contrainclinação;
Ao ar sugado de zonas que trabalham em depressão. Este ar entra na instalação, em vez de sair, através dos sistemas normais de purga;
Ao ar em solução na água carregada na instalação: ar disperso na água ao nível de iões e moléculas.

Ar não expulso na fase de enchimento: formação de bolhas

Qualquer instalação hidráulica, antes de ser colocada em funcionamento, encontra-se obviamente cheia de ar. Um projeto ou montagem imprecisos da instalação que “preveja” percursos especiais para as linhas podem favorecer o aprisionamento do ar durante a fase de enchimento.

Particularmente, o ar tende a acumular-se:

Na parte superior dos emissores de calor;
Nos segmentos de tubagem que tenham de contornar um obstáculo;
Em longos segmentos de tubagem horizontal que, em seguida, virem para baixo;
Na parte superior das colunas montantes.

O ar que entra durante o funcionamento da instalação

O ar que entra durante o funcionamento da instalação pode entrar através da superfície livre de um vaso aberto (sistemas já pouco utilizados), ou pode infiltrar-se através de dispositivos de purga, guarnições e adaptadores quando a instalação trabalha em depressão. Este último caso verifica-se quando a soma entre a pressão estática da instalação e a depressão dinâmica induzida pelo circulador é negativa, o que pode ocorrer especialmente nas partes mais altas da instalação, ou seja, onde a pressão estática é mais baixa. Geralmente, para determinar se uma instalação está a trabalhar em depressão basta abrir, por exemplo, o purgador de ar do radiador no ponto mais alto e verificar se sai água ou entra ar.

Ar dissolvido em solução na água: formação de microbolhas

A quantidade de ar que pode permanecer dissolvida na água depende da função da pressão e da temperatura. Esta ligação é evidenciada pela lei de Henry (como ilustrado no gráfico), que relaciona a temperatura da água ao número de litros de ar dissolvido num m3 de água.

O ar dissolvido na água fria de enchimento ou de reintegração liberta-se, principalmente, quando se aquece a água da instalação. Por exemplo, numa instalação de 1000 l (uma instalação de aproximadamente 100.000 kcal/h), aquecendo a água de enchimento entre 20 a 80 °C, à pressão constante de 2 bar, libertam-se entre 17 a 18 litros de ar.

Este ar apresenta-se sob a forma de microbolhas. Nos circuitos das instalações de climatização existem ainda pontos específicos onde este processo de formação de microbolhas ocorre continuamente: nas caldeiras e nos dispositivos que operam em circunstâncias de cavitação.O que são microbolhas?

Microbolhas são bolhas de ar muito pequenas com diâmetros compreendidos entre 0,02 e 0,10 mm que se formam nas superfícies internas das caldeiras, nas instalações de aquecimento. O fluido de aquecimento arrasta, depois, estas microbolhas para o interior da instalação, onde são absorvidas pelo próprio fluido ou se acumulam, formando bolhas de ar nos pontos críticos da instalação (por exemplo, nas zonas mais altas dos radiadores).

As microbolhas de caldeira

As microbolhas formam-se de forma contínua nas superfícies de separação entre a água e a câmara de combustão, devido às altas temperaturas do fluido. Este fenómeno é semelhante ao que podemos observar nas paredes de uma panela quando aquecemos água. Este ar, arrastado pela água, é recolhido nos pontos críticos do circuito de onde deve ser evacuado. Uma parte do mesmo é reabsorvida na presença de superfícies mais frias.

Problemáticas associadas à presença de ar nas instalações hidráulicas

Permuta térmica insuficiente entre os terminais de emissão - A condutibilidade térmica do ar é ligeiramente inferior à da água. Quando o ar se acumula nos pontos mais altos dos radiadores ou das baterias de permuta, a quantidade de calor transferido para o ambiente diminui consideravelmente. Um menor rendimento dos emissores de calor pode causar graves desequilíbrios térmicos e conduzir a níveis de conforto insuficientes, bem como a custos de gestão mais elevados.

Ruído dos emissores de calor devido à passagem de bolhas e microbolhas através das válvulas de radiador e devido à formação de caixas de ressonância.

Fenómenos de cavitação que podem comprometer a duração e o funcionamento, sobretudo dos circuladores e das válvulas de regulação.

Bloqueio total ou parcial da circulação devido à formação de bolhas de ar na tubagem e nos sistemas radiantes quer de pavimento, quer de parede.

Corrosões causadas pelo oxigénio presente no ar, com o consequente enfraquecimento, e por vezes também rutura, de caldeiras, tubagem e radiadores.

Problemas associados à presença de sujidade nas instalações hidráulicas:

As impurezas em suspensão na água dos circuitos hidráulicos podem gerar uma série de inconvenientes que não devem ser subestimados.

Corrosão por aeração diferencial - É devida ao facto de, na presença de água, uma camada de sujidade sobre uma superfície metálica conduzir à formação de duas zonas (água/sujidade e sujidade/metal) com teores de oxigénio diferentes; por este motivo ativam-se pilhas localizadas com fluxos de corrente que levam à corrosão das superfícies metálicas.
Funcionamento irregular das válvulas - Deve-se à sujidade que pode aderir insistentemente à sede das válvulas e provocar deformações de regulação, bem como fugas de água. As impurezas também podem comprometer a eficácia de regulação das válvulas, como por exemplo, das válvulas de balanceamento.
Bloqueio e gripagem dos circuladores - São causados pela sujidade que passa através dos circuladores e que se pode acumular quer pela sua geometria particular, quer por efeito dos campos magnéticos gerados pelos próprios circuladores.
Menor rendimento dos permutadores de calor - Os depósitos de sujidade podem, com efeito, reduzir significativamente quer os caudais dos fluidos, quer as superfícies que permutam calor.

A presença de impureza deve-se:

Às partículas provenientes da rede de abastecimento de água;
À sujidade causada pelo processo de montagem e pelos próprios componentes da instalação;
À corrosão por aeração diferencial;
À oxidação das superfícies metálicas por ação do oxigénio presente no ar dissolvido.

As partículas provenientes da rede, do processo de montagem e dos próprios componentes da instalação são constituídas por resíduos de vedação (fios de cânhamo, fitas de teflon), de lubrificantes (óleos e gorduras), por impurezas libertadas pelos materiais (limalhas, areias, grânulos e lascas de verniz).

Corrosão por aeração diferencial

A corrosão por aeração diferencial deve-se ao facto de, na presença de água, uma camada de sujidade sobre uma superfície metálica conduzir à formação de duas zonas (água/sujidade e sujidade/metal) com diferentes teores de oxigénio. A zona água/sujidade é sensivelmente mais rica em oxigénio do que a zona sujidade/metal.

Por esse motivo, ativam-se pilhas localizadas (os cátodos são zonas ricas em oxigénio, os ânodos as zonas pobres) com fluxos de corrente que levam à corrosão das superfícies metálicas. É uma corrosão que, como a produzida por oxidação, pode comportar o enfraquecimento, mas também a rutura, de componentes como caldeiras e radiadores.

Corrosão por oxidação das superfícies metálicas

É causada pela presença de ar e, portanto, de oxigénio na água. Na superfície do metal forma-se uma fina película de óxido que, dentro de determinados limites, protege o metal da corrosão. Esta pátina tem normalmente uma cor diferente da do metal original e, com o tempo, tende a mudar ainda mais, tornando-se geralmente mais clara ou mais escura. Neste caso fala-se em superfície oxidada que, do ponto de vista da cor, está em constante mutação. Se, por algum motivo, a pátina protetora se deteriorar, a corrosão continua até perfurar o metal.

Partículas de sujidade - partículas em suspensão (areia, limalhas de ferro, corpos estranhos) provenientes da rede de abastecimento de água (rede pública) ou resíduos do processo de montagem e de operações de manutenção na instalação (resíduos de soldadura, fios de cânhamo, lubrificantes). Estas partículas depositam-se e incrustam-se, provocando a obstrução da tubagem, dos permutadores e dos componentes com passagens reduzidas, com o consequente bloqueio da circulação.

Micropartículas de sujidade - Para as instalações pode ser perigosa, não só a sujidade visível, como também a não visível, constituída por micropartículas com dimensões até 5–10 μm (0,005–0,010 mm), como a magnetite e a ferrugem. De facto, a corrosão produz e liberta na água quer partículas de ferro não magnéticas (ferrugem), quer magnéticas (magnetite que se forma em pequeníssimas lascas e que possui propriedades magnéticas muito elevadas).

Problemáticas associadas à presença de impurezas nas instalações hidráulicas

Funcionamento irregular das válvulas devido a sujidade que pode aderir persistentemente às suas sedes, e provocar quer deformações de regulação, quer fugas de água.

Permuta térmica insuficiente devida à presença de sujidade na parte inferior do radiador.

Menor rendimento dos permutadores devido à redução dos caudais e das superfícies que permutam calor.

Bloqueio e gripagem dos circuladores causados pela sujidade que aí se pode acumular, quer devido à sua geometria especial, quer pelo efeito dos seus próprios campos magnéticos.

Corrosões por oxidação e aeração diferencial com consequente enfraquecimento, e possível rutura de caldeiras, tubagem e radiadores.

Incrustações e depósitos na tubagem podem reduzir significativamente a secção de passagem e, assim, os caudais de fluido.

A separação de impurezas presentes na água de circuito fechado apresenta dificuldades, sobretudo, no que toca à eliminação de partículas menores essencialmente compostas por areias, ferrugem (óxido de ferro não magnético) e magnetite. Para eliminar estas partículas são geralmente usados filtros em Y, separadores de sujidade simples (horizontais e verticais) e separadores de sujidade magnéticos. Sendo o objetivo principal proteger os permutadores dos geradores de calor contra bloqueios e obstruções, recomenda-se a instalação de filtros e separadores de sujidade na linha de retorno, antes do gerador.