Sustentabilidad en sistemas abiertos de agua helada

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Dado que el número de equipos de climatización enfriados por agua seguirá aumentado en un futuro, resulta crucial impulsar estrategias de ahorro y mantenimiento que abonen al uso racional de este líquido vital

Eleazar Rivera

El agua (H2O) es un valioso recurso natural no renovable que cubre casi el 70 por ciento de la superficie terrestre. Sin ella,  gran parte de los ciclos y fenómenos naturales que sustentan la vida en la Tierra serían imposibles.

El agua dulce para consumo humano suele extraerse de mantos acuíferos superficiales o subterráneos. En áreas costeras, en cambio, se emplean métodos costosos y tediosos para hacerla potable. Cabe destacar que gran parte de estas fuentes acuíferas están contaminadas, debido a la generación de residuos producto de la expansión urbana.

La conservación del H2O, por lo tanto, es una fuente de preocupación no sólo para los ambientalistas, sino también para la sociedad, especialmente en las regiones geográficas donde el recurso está sujeto al aumento constante del estrés hídrico.

Debido a la importancia de este recurso, su explotación con fines industriales debe ser regulado y protegido.

En el caso de la industria HVACR, el agua representa uno de los métodos más eficaces para disipar el calor (gracias a sus características fisicoquímicas), tanto en costo como en accesibilidad y disponibilidad. Es por ello que, actualmente, existen programas, certificaciones y normativas internacionales que incentivan las buenas prácticas y el desarrollo de proyectos sustentables.

En lo que refiere a los sistemas abiertos de agua helada, éstos requieren de una descarga sustancial de H20 para eliminar los minerales disueltos en el agua de reposición y, de esta forma, funcionar correctamente y sin problemas. A este proceso se le denomina purga y su volumen se determina directamente en relación a la concentración mineral en el líquido de reposición.

Las estrategias convencionales de tratamiento químico se enfocan en transportar la mayor cantidad posible de iones de calcio y magnesio fuera de estos sistemas; la purga, en este caso, es utilizada para evitar la retención de dichos elementos en alguna forma de depósito sólido.

Otros métodos, en cambio, buscan atenuar el impacto ambiental, a través del control de la acumulación potencial de calcio (Ca), pero sin recurrir a químicos, pues se basan en la captura de algún compuesto directamente de la recirculación de agua, como el carbonato de calcio (CaCo3).

Aunque la purga no elimina en su totalidad los acumulamientos, es posible reducir el volumen de H20 descargado de 50 a 80 por ciento, dependiendo de la calidad de agua correspondiente a la compensación y de las características del diseño de los equipos.

Asimismo, el ahorro del recurso hídrico es primordial en escenarios en los que la dureza del líquido de reposición es alta y la purga debe ser tradicionalmente un tercio o más del volumen de maquillaje.

La eliminación del Ca se realiza electrolíticamente en una etapa, directamente desde el agua de la torre y de una manera análoga al método de ablandamiento clásico a base de cal en frío, pero con la ventaja de omitir el uso de este compuesto, así como de carbonato de sodio o de un equipo de separación de sólidos.

Mediante este proceso de conservación, reactivos como ácidos u otros aditivos tradicionales para el transporte de calcio dejan de ser necesarios, incluso cuando la dureza del líquido de reposición se considera alta.

Contaminantes más comunes
Dependiendo de la fuente hídrica, es posible encontrar en ella minerales y gases disueltos, metales pesados y material orgánico insoluble. Este tipo de sustancias afectan las propiedades físicas del agua, como su pH, solubilidad y densidad. Algunos contaminantes, como las sales minerales, se mezclan con ella a través de procesos naturales, mientras que otros son introducidos por corrientes de aire.

Independientemente del lugar donde penetren, a menudo son perjudiciales para los procesos industriales que utilizan agua, especialmente en aquellos que se basan en el enfriamiento mediante calor latente. Lo anterior obedece a que dichos procedimientos son susceptibles a los efectos perjudiciales de los contaminantes.

El rechazo de calor a través de calor latente o evaporación es una forma altamente eficiente para enfriar el agua utilizada en los sistemas; por tal motivo, resulta crucial su control de calidad.

A medida que la molécula del H2O se evapora, la concentración de contaminantes aumenta en relación a la fuente hídrica. Teóricamente, se puede cuantificar su aumento midiendo los ciclos de concentración, que es la relación volumétrica del agua de la fuente aplicada a la descargada por la purga. Estos ciclos predicen la relación de contaminantes durante el proceso de refrigeración con respecto al agua de la fuente.

La acumulación de sedimentos de CaCo3 (arriba) suele presentarse en los sistemas de agua helada

En consecuencia, los sistemas de climatización ambientalmente responsables tienen como objetivo mantener dichos ciclos de concentración más altos en proporción. Los programas de mantenimiento que cumplen con este propósito reducen las concentraciones elevadas de volumen de H2O, la cantidad de purga requerida y la descarga de aditivos.

En lo que refiere a limpieza de los sistemas abiertos, es necesario añadir una serie de sustancias químicas para abordar tres cuestiones principales: corrosión, incrustación y crecimiento microbiológico. El tratamiento es ejecutado a través de diversas técnicas electroquímicas y está enfocado en eliminar lodos y depósitos de Ca.

Tradicionalmente, se han empleado dos modelos para controlar la deposición de minerales. El primero consiste en la eliminación de los contaminantes del agua de la fuente que suministra dicho recurso y que tienen potencial de deposición. El segundo introduce productos químicos para prevenir o reducir dramáticamente la formación de los depósitos. La eliminación de estas sustancias de desecho se ejecuta mediante distintas estrategias de pretratamiento antes de que el  agua de la fuente sea introducida en el sistema. A menudo dichos procedimientos son seleccionados según factores económicos y están relacionados con la planeación estratégica del proyecto.

Estrategias de tratamiento químico
El intercambio iónico es un método común y relativamente barato para eliminar los contaminantes. La estrategia más habitual es el ablandamiento, donde H2O fluye a través de una resina de zeolita que elimina selectivamente las partículas disueltas cargadas del agua. La zeolita intercambia dos iones de sodio por uno de calcio. La resina, a su vez, se regenera con sal, que eventualmente se descarga a una corriente de residuos.

La ósmosis inversa aplica la presión como fuerza motriz para separar el agua en dos corrientes: una de alta pureza con pocos residuos, y otra de residuos, apropiadamente denominada de concentración de contaminantes. Esta técnica no añade partículas a la corriente de desechos, pero requiere una demanda adicional del agua de origen.

Los aditivos químicos son un modelo alternativo, ya que al ser introducidos en los sistemas de agua helada cambian la forma de transportar los minerales a lo largo del equipo. Posteriormente, estos compuestos son retirados del proceso de enfriamiento a través de la purga y descargados en una corriente residual.

El ácido, a su vez, se utiliza para modificar el pH mediante la eliminación de la alcalinidad del bicarbonato del agua de proceso, como se aprecia en la siguiente reacción:

Ecuación 1

La conversión de alcalinidad de bicarbonato en dióxido de carbono permite la eliminación de la misma, a medida que el dióxido de carbono se ventila hacia la atmósfera. El sulfato es el subproducto de esta reacción y permanece en el agua para posteriormente ser descargado a través de la purga.

En el pasado, estos desechos solían descargarse directamente en el desagüe; sin embargo, de acuerdo con los programas ambientales de hoy, los edificios pueden usar estas descargas para propósitos de riego, disminuyendo el impacto ambiental y propiciando un entorno de diseño sustentable.

Visualización en 3D de los equipos y componentes HVACR que conforman un sistema abierto de agua helada

No obstante, esta técnica de modificación para el control de la deposición tiene varias consecuencias ambientales. Por un lado, la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera aumenta la huella de carbono. El incremento de estas emisiones genera efectos perjudiciales, tanto a nivel físico como legislativo. Además, un aumento de la descarga de sulfato afecta negativamente al medioambiente, si es expulsado en los afluentes municipales.

Muchos municipios tienen limitaciones de descargas de sulfatos, pues su deposición en los cauces naturales de agua puede ser tóxica para las especies acuáticas.

Por el contrario, una técnica no ácida hace uso de fosfonatos y polímeros para reducir dramáticamente la tasa de formación de depósitos. Esta técnica de modificar la cinética de reacción es a menudo limitada a ciclos de circulación bajos en concentración y alcalinidad.

Naturalmente, el pH de los sistemas de recirculación de agua se eleva sin alimentación ácida y promueve la formación de óxido blanco, que es una forma polimórfica de óxidos de zinc resultado de la interacción del H20 con la capa de galvanizado de ciertos equipos.

Si bien hay varios métodos químicos que disminuyen o inhiben la formación de CaCo3, éstas reacciones también tienen sus limitaciones. Por ejemplo, el empleo de ácido sulfúrico para eliminar la alcalinidad (ver ecuación 2) posibilita la formación de sulfato, expresada en una concentración de sulfato de calcio superior a 2.000 – 2.400 partes por millón (ppm).

Los inhibidores de incrustación pueden utilizarse junto con ácido sulfúrico para aumentar la concentración efectiva de calcio a niveles de entre 5.000 y 10.000 ppm. Cabe mencionar que tanto el calcio como las sales de sulfato necesitan controlarse mediante purga.

Ecuación 2

Las estrategias de control que utilizan fosfonatos y polímeros dan como resultado un crecimiento cristalino regido por cinética, ya que primero comienzan a formarse los depósitos. Esto es de suma importancia, debido a que cuando se trata de este sistema de movimiento, la reacción 2 ocurre más despacio. El concepto detrás de esta modificación es ralentizar la reacción de tal manera que el tiempo de formación de incrustaciones es más largo que el de residencia.

Los modificadores de cristalización intentan alterar la manera en que se forman las estructuras cristalinas. Al controlar el desarrollo del cristal, el programa de calidad de agua distorsiona su estructura para formar cristales más pequeños y menos aptos para depositarse en las superficies de intercambio de calor y llevarlos fuera del sistema a través de la purga.

La combinación de ablandamiento de cal frío y electrólisis aumenta sustancialmente la velocidad a la que el Ca se precipita, debido a un exceso controlado eléctricamente en la concentración de iones de carbonato.

De este modo, es posible conseguir velocidades de reacción en segundos. Conducir la precipitación de calcio a lo largo de un circuito de agua de enfriamiento desvía efectivamente las deposiciones de este compuesto en cualquier parte del circuito.

Dado que el CaCo3 se retira directamente de la recirculación de agua, la necesidad de purgado para transportar el calcio fuera del sistema se ve reducida en proporción.

La reacción general que describe la electrólisis utilizada para precipitar CaCo3 es la siguiente:

Ecuación 3

Estrategias de conservación
Debido a la eficiencia de las torres de enfriamiento, condensadores evaporativos y equipos enfriados por agua con respecto a los condensadores de aire, así como a los esfuerzos hacia nuevas tecnologías verdes y sustentables de energía, el número de estos sistemas en operación seguirá aumentando en el futuro, por lo que la conservación del recurso hídrico será una preocupación mayor.

En los países desarrollados, por ejemplo, se utilizan aproximadamente cinco billones de galones de agua potable fresca cada año para propósitos industriales. Al aplicar cuatro ciclos de concentración en los equipos HVACR, los programas de tratamiento de agua descargan 1.4 billones de galones a través del purgado, aproximadamente.

Técnicas electroquímicas para el control de la deposición operan en un promedio de diez ciclos. Pero, dependiendo de la fuente, cargas térmicas y otras condiciones de operación, se pueden lograr hasta más de 15 ciclos de concentración. Así, una purga para los 5 billones de galones usados en los sistemas de climatización y refrigeración, operando a 10 ciclos de concentración, requeriría 417 mil millones de galones al año.

Los técnicas de tratamiento de H2O que incorporan la electrólisis eliminan los aditivos químicos para el control de los depósitos y de la corrosión; asimismo, reducen los productos químicos añadidos para el control biológico.

Estrategias de tratamiento químico y componentes residuales significativos

Si los sistemas abiertos de agua helada y las torres de enfriamiento usarán técnicas electroquímicas, el ahorro logrado gracias a la electrólisis y la capacidad de alcanzar ciclos más altos de concentración ascendería a 833 mil millones de galones de agua no descargada al año, a través del purgado. Además de la conservación de este recurso, hay beneficios ambientales adicionales, como dejar de utilizar 2.7 millones de toneladas de productos químicos. En consecuencia, habría menos descargas en afluentes naturales y el impacto ambiental a nivel global sería menor.

Las plantas de tratamiento municipales, por su parte, dejarían de suministrar billones de galones para estos sistemas de enfriamiento, lo que reduciría la presión sobre el abastecimiento de agua potable y el estrés hídrico regional.

Asimismo, métodos alternativos a los procesos tradicionales basados en electroquímica pueden emplearse eficazmente como una estrategia de control de deposición en torres de enfriamiento y sistemas asociados.

Aunque la purga no se elimina a través de ninguna opción para mantener la calidad del H20, ésta podría ser eliminada en un 50 u 80 por ciento. Una reducción significativa del uso de la descarga posterior también podría ser reutilizada.

Estas reducciones y, en consecuencia, la eventual eliminación de contaminantes que conllevan, impulsará la generación de estrategias de tratamiento ambientalmente responsables, como las que actualmente promueven algunos gobiernos y la iniciativa privada, a fin de implementar y desarrollar proyectos de climatización sustentables.
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Eleazar Rivera. Presidente 2017-2018 de ASHRAE Capítulo Monterrey. Químico Industrial egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León y maestro en Finanzas por la Escuela de Graduados en Administración e Ingeniería Industrial de la misma facultad. Cuenta con orientación en Ciencias de los Materiales, además de experiencia en el área de Investigación y Desarrollo en Electroquímica, Aplicaciones en Química del Agua y comercialización de proyectos HVAC.




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