Physikalische Wasseraufbereitung reduziert Kalkablagerungen und erhöht die Effizienz von Wärmetauschern

Dies ist eine Zusammenfassung eines in Chemical Engineering Science (2022) veröffentlichten Artikels.

1. Einleitung

Die Verkalkung von Wärmetauschern ist ein hartnäckiges und oft teures Problem, das die Effizienz und die Einführung nachhaltiger Heizsysteme beeinträchtigt. Es gibt chemische Reinigungsverfahren, die jedoch kostspielig und umweltschädlich sind und die Abschaltung der Anlage erfordern, was zu Betriebsverlusten führt. Im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung wird ständig nach Alternativen gesucht, die kostengünstig, robust und ökologisch sind. Viele wenden sich jetzt der physikalischen Wasseraufbereitung zu, um gleichzeitig die Energiekosten zu senken, die Umweltbelastung zu verringern und den effizienten Betrieb ihrer Infrastruktur zu gewährleisten.

1.1 Physikalische Wasseraufbereitung

Statt das Wasser mit chemischen Mitteln zu behandeln, verhindern physikalische Verfahren die Ablagerung von Kalk und Biofilm, ohne die Mineralität des Wassers zu verändern.

In einer Studie von Nihad Kamar und Kollegen an der Universität Lothringen (Frankreich) wurde ein AQUA4D®-System mit einem gedichteten Plattenwärmetauscher kombiniert, um zu untersuchen, wie dieses behandelte Wasser das Auftreten von problematischem Kalziumkarbonat beeinflusst. Bis heute wurden zahlreiche Studien über die Auswirkungen dieser physikalischen Behandlung auf die Biofilmbildung und die Bildung von Mineralablagerungen durchgeführt (siehe unseren Abschnitt Wissenschaftliche Studien hier)

Jetzt, im Jahr 2022, wollten Kamar et al. die Auswirkungen von unbehandeltem und mit AQUA4D® behandeltem Wasser auf das Auftreten von Kalziumkarbonat (_CaCO3) in einem Plattenwärmetauscher vergleichen.

2. Material und Methoden

Die Forschung untersuchte die Bildung von _CaCO3 bei unterschiedlichen Wassertemperaturen in einem Plattenwärmetauscher. Bei einer Versuchsdauer von 72 Stunden und einer Durchflussmenge von 100 L.^h-1 wurde ein AQUA4D® 60E Pro direkt am Einlass des kalten Kreislaufs des Wärmetauschers angebracht, 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 bei der Ausfällung von _CaCO3 ermöglicht. Wichtig ist, dass Kalziumkarbonatsalz eine umgekehrte Löslichkeit aufweist: Je stärker es erhitzt wird, desto mehr fällt es aus. Um die Menge der im Austauscher abgelagerten Feststoffe zu bestimmen, wurde ein Reinigungs-/Auflösungsprotokoll durchgeführt, das die Entleerung des kalten Kreislaufs mit Druckgas, die Bestimmung der Konzentration von gelöstem _Ca2+ und _Mg2+ in der Lösung durch ICP-OES-Spektroskopie und die Berechnung der im Austauscher abgelagerten Menge in Gramm/Tag/Flächeneinheit umfasst. Das nachstehende Diagramm veranschaulicht das Verfahren:

3. Ergebnisse und Diskussion

3.2 Ergebnis: Geringere Pfandmengen

Im Folgenden werden die Ergebnisse von vier Versuchen mit identischen Temperaturbedingungen (heißer Kreislauf 50°C, kalter Kreislauf 20°C), Durchflussmenge 100 L.^h-1, Versuchsdauer 72 Stunden) zusammengefasst. Die Gesamtablagerungen im Wärmetauscher wurden durch Auslaugen geschätzt; eine Massenbilanz ermöglichte es den Forschern, die Gesamtmenge des Kalziumkarbonats zu schätzen. In der nachstehenden Tabelle ist die Materialbilanz zusammengefasst:

Nach drei Tagen ist das Kalzium sowohl in gelöster als auch in ausgefällter Form vorhanden. Nach der AQUA4D®-Behandlung wurde eine Verringerung der auf den Tauscherplatten abgelagerten Kesselsteinmenge von 4,2 g/Tag/m2 g auf 0,89 g/Tag/m2 erreicht, was einer Ablagerungsreduzierung von etwa 76,83 % entspricht.

3.3 Ergebnisse beim Öffnen des Wärmetauschers

In Anwesenheit von AQUA4D® wird eine deutliche Verringerung der Ablagerungen beobachtet, insbesondere im ersten kalten Abteil des Austauschers. Am Einlass des Wärmetauschers wurde eine Verringerung der Kalzitkristallgröße beobachtet. Die Analyse der Partikelgröße zeigt, dass der volumengemittelte Durchmesser etwa 63,5 ± 4 µm beträgt. Es wurde eine Verringerung der Kristallgröße um 36 % festgestellt.

Die Analyse des globalen Austauschkoeffizienten zeigte, dass AQUA4D® den Wärmeaustausch im Laufe der Zeit immer effektiver machte:

5. Schlussfolgerung

Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die AQUA4D®-Behandlung die Ablagerungen von Niederschlägen wirksam um etwa 80 % reduzieren kann. In der vorliegenden Studie handelt es sich bei dem abgelagerten Niederschlag um Kalzit in Form von Agglomeraten mit einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser in der Größenordnung von 63,5 ± 4 lm. Diese experimentelle Arbeit zeigt, dass AQUA4D® die Bildung von Kalkablagerungen verhindern kann. Die Ergebnisse der RAMAN-Spektroskopie und der REM-Bildgebung belegen, dass die physikalische Qualität der Ablagerungen durch die AQUA4D®-Behandlung agglomeriert und kleiner wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die AQUA4D®-Behandlung die Bildung von Kalziumkarbonatablagerungen im Wärmetauscher verhindert. Diese physikalische Wasserbehandlung ist sehr effizient und einfach zu implementieren, und die physikalischen Anwendungen im Zusammenhang mit mineralischen Phänomenen können zahlreich sein.

Die weitreichenden Auswirkungen dieser Studie bedeuten, dass AQUA4D® durch eine wirksame Wasseraufbereitung hartnäckige Kalkprobleme lösen kann, wodurch der Bedarf an chemischer Aufbereitung sinkt und die Effizienz und Nachhaltigkeit der Anlagen steigt.