Wie physikalische Wasseraufbereitung Kalkablagerungen reduziert und die Effizienz von Wärmetauschern erhöht

Dies ist eine Zusammenfassung eines Artikels, der in Chemical Engineering Science (2022) veröffentlicht wurde.

1. Einleitung

Die Verschmutzung von Wärmetauschern ist ein hartnäckiges und oft kostspieliges Problem, das sich auf die Effizienz und Einführung nachhaltiger Heizsysteme auswirkt. Es gibt zwar chemische Reinigungsverfahren, diese sind jedoch kostspielig, umweltschädlich und erfordern eine Stilllegung der Anlage, was zu Betriebsausfällen führt. Im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung wird kontinuierlich nach kostengünstigen, robusten und ökologischen Alternativen gesucht. Viele setzen nun auf physikalische Wasseraufbereitung, um gleichzeitig Energiekosten zu senken, die Umweltbelastung zu verringern und einen effizienten Betrieb ihrer Infrastruktur zu gewährleisten.

1.1 Physikalische Wasseraufbereitung

Anstatt Wasser chemisch zu behandeln, verhindern physikalische Verfahren Kalk- und Biofilmablagerungen, ohne die Mineralität des Wassers zu verändern.

Eine Studie von Nihad Kamar und Kollegen an der Universität Lothringen (Frankreich) kombinierte ein AQUA4D®-System mit einem gedichteten Plattenwärmetauscher, um zu untersuchen, wie dieses aufbereitete Wasser das Auftreten von problematischem Kalziumkarbonat beeinflusst. Bis heute wurden zahlreiche Studien zu den Auswirkungen dieser physikalischen Behandlung auf die Bildung von Biofilmen und Mineralablagerungen durchgeführt (siehe unseren Abschnitt „Wissenschaftliche Studien“ hier).

Im Jahr 2022 wollten Kamar et al. die Auswirkungen von unbehandeltem Wasser im Vergleich zu mit (AQUA4D®) behandeltem Wasser auf die Bildung von Kalziumkarbonat (_CaCO3) in einem Platten- und Gelenkwärmetauscher untersuchen.

2. Material und Methoden

Die Untersuchung befasste sich mit der Bildung von_{CaCO3 bei} unterschiedlichen Wassertemperaturen in einem Plattenwärmetauscher. Bei einer Testdauer von 72 Stunden und einer Durchflussrate von 100 ^l/h wurde für diese Untersuchung ein AQUA4D® 60E Pro verwendet, der direkt am Einlass des Kaltkreislaufs des Wärmetauschers angebracht wurde, um sehr niederfrequente Resonanzfelder in das Wasser zu diffundieren.

Aspekte wie Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert und Ionenkonzentrationen (_Ca2+,_Mg2+,_HCO3–) wurden überwacht, was ein Verständnis der Mechanismen ermöglicht, die bei der Ausfällung von_CaCO3 eine Rolle spielen. Wichtig ist, dass Calciumcarbonatsalz eine inverse Löslichkeit aufweist: Je stärker es erhitzt wird, desto mehr fällt es aus. Um die Menge der im Wärmetauscher abgelagerten Feststoffe zu bestimmen, wurde ein Reinigungs-/Auflösungsprotokoll durchgeführt, das das Entleeren des Kaltkreislaufs mit Druckgas, die Bestimmung der Konzentration von gelöstem_Ca2+ und_Mg2+ in der Lösung mittels ICP-OES-Spektroskopie und die Berechnung der im Wärmetauscher abgelagerten Menge in Gramm/pro Tag/pro Flächeneinheit umfasste. Das folgende Diagramm veranschaulicht das Verfahren:

3. Ergebnisse und Diskussion

3.2 Ergebnis: Reduzierte Einzahlungsbeträge

Nachstehend sind die Ergebnisse von vier Experimenten mit identischen Temperaturbedingungen (Heißkreislauf 50 °C, Kaltkreislauf 20 °C), einer Durchflussrate von 100 ^l/h und einer Testdauer von 72 Stunden zusammengefasst. Die Gesamtablagerungen im Wärmetauscher werden durch Auslaugung geschätzt; anhand einer Massenbilanz konnten die Forscher die Gesamtmenge an Kalziumkarbonat schätzen. Die folgende Tabelle fasst die Materialbilanz zusammen:

Nach drei Tagen liegt Kalzium sowohl in gelöster als auch in ausgefällter Form vor. Nach der Behandlung mit AQUA4D® wurde eine Verringerung der Kalkablagerungen auf den Wärmetauscherplatten von 4,2 g/Tag/m² g auf 0,89 g/Tag/m² erzielt, was einer Verringerung der Ablagerungen um etwa 76,83 % entspricht.

3.3 Ergebnisse beim Öffnen des Wärmetauschers

In Gegenwart von AQUA4D® ist eine deutliche Verringerung der Ablagerungen zu beobachten, insbesondere im ersten Kühlraum des Wärmetauschers. Am Einlass des Wärmetauschers wurde eine Verringerung der Calcitkristallgröße festgestellt. Die Partikelgrößenanalyse zeigt, dass der volumengemittelte Durchmesser etwa 63,5 ± 4 µm beträgt. Es wurde eine Verringerung der Kristallgröße um 36 % festgestellt.

Wichtig ist, dass die Analyse des globalen Austauschkoeffizienten zeigte, dass AQUA4D® den Wärmeaustausch im Laufe der Zeit durchweg effektiver machte:

5. Schlussfolgerung

Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die AQUA4D®-Behandlung Ablagerungen um etwa 80 % effizient reduzieren kann. In der vorliegenden Studie handelt es sich bei den Ablagerungen um Kalzit in Form von Agglomeraten mit einem kleineren Durchschnittsdurchmesser in der Größenordnung von 63,5 ± 4 lm. Diese experimentelle Arbeit zeigt die Eignung von AQUA4D® zur Hemmung der Kalkablagerungsbildung. Die Ergebnisse der RAMAN-Spektroskopie und der SEM-Bildgebung belegen, dass die physikalische Qualität der Ablagerungen bei einer Behandlung mit AQUA4D® agglomeriert und von geringerer Größe ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behandlung mit AQUA4D® die Bildung von Kalziumkarbonatablagerungen im Wärmetauscher hemmt. Diese physikalische Wasseraufbereitung ist sehr effizient und einfach anzuwenden, und die physikalischen Anwendungen im Zusammenhang mit mineralischen Phänomenen können zahlreich sein.

Die weiterreichenden Auswirkungen dieser Studie deuten darauf hin, dass AQUA4D® durch eine effektive Wasseraufbereitung hartnäckige Kalkprobleme lösen kann, wodurch der Bedarf an chemischer Behandlung sinkt und die Effizienz und Nachhaltigkeit von Anlagen gesteigert wird.