Cómo el tratamiento físico del agua reduce las incrustaciones y aumenta la eficacia del intercambiador de calor

Este es un resumen de un artículo publicado en Chemical Engineering Science (2022).

1. Introducción

La incrustación de los intercambiadores de calor es un problema persistente y a menudo costoso que afecta a la eficiencia y el despliegue de sistemas de calefacción sostenibles. Existen procesos químicos de limpieza, pero son costosos, contaminantes y obligan a parar la planta, con las consiguientes pérdidas operativas. Pensando en el desarrollo sostenible, se están buscando alternativas baratas, sólidas y ecológicas. Muchos recurren ahora al tratamiento físico del agua para reducir al mismo tiempo los costes energéticos, disminuir el impacto ambiental y garantizar el funcionamiento eficaz de sus infraestructuras.

1.1 Tratamiento físico del agua

En lugar de tratar el agua por medios químicos, los procesos físicos actúan para evitar los depósitos de cal y biopelículas sin modificar la mineralidad del agua.

Un estudio realizado por Nihad Kamar y sus colegas de la Universidad de Lorena (Francia) emparejó un sistema AQUA4D® con un intercambiador de calor de placas con juntas, para estudiar cómo influye este agua tratada en la incidencia del problemático carbonato cálcico. Hasta la fecha, se han realizado numerosos estudios sobre los efectos de este tratamiento físico en la formación de biopelículas y depósitos minerales (consulte nuestra sección Estudios científicos aquí).

Ahora, en 2022, Kamar et al. se propusieron comparar los efectos del agua no tratada frente al agua tratada (AQUA4D®) sobre la incidencia del carbonato cálcico (_CaCO3) en el interior de un intercambiador de calor de placas y juntas.

2. 2. Material y métodos

La investigación analizó la formación de _CaCO3 bajo diferentes temperaturas del agua dentro de un intercambiador de calor de placas. Para una duración de la prueba de 72 horas y un caudal de 100 L.^h-1, esta investigación utilizó un AQUA4D® 60E Pro montado directamente en la entrada del circuito frío del intercambiador para difundir campos de resonancia de muy baja frecuencia en el agua.

Se controlaron aspectos como la temperatura, la conductividad, el pH y las concentraciones de iones (_Ca2+, _Mg2+, _HCO3-), lo que permite comprender los mecanismos implicados en la precipitación de _CaCO3. Es importante destacar que la sal de carbonato cálcico tiene una solubilidad inversa: cuanto más se calienta, más precipita. Para determinar la cantidad de sólido depositado en el interior del intercambiador, se llevó a cabo un protocolo de limpieza/disolución que incluía el vaciado del circuito frío con gas comprimido, la determinación de la concentración de _Ca2+ y _Mg2+ disueltos en la solución mediante espectroscopia ICP-OES y el cálculo de la cantidad depositada en el interior del intercambiador en gramos/por día/por unidad de superficie. El diagrama siguiente ilustra el procedimiento:

3. 3. Resultados y discusión

3.2 Resultado: Reducción de las cantidades depositadas

A continuación se resumen los resultados de cuatro experimentos con idénticas condiciones de temperatura (circuito caliente 50°C, circuito frío 20°C), caudal 100 L.^h-1, duración de la prueba 72 horas). Los depósitos totales en el intercambiador de calor se estiman por lixiviación; un balance de masa permitió a los investigadores estimar la cantidad total de carbonato cálcico. La tabla siguiente resume el balance de materia:

Al cabo de tres días, el calcio está presente tanto en forma disuelta como precipitada. Tras el tratamiento AQUA4D®, se obtuvo una reducción de la cantidad de cal depositada en las placas del intercambiador de 4,2 g/día/m2 g a 0,89 g/día/m2 g, lo que representa un ratio de reducción de depósitos de aproximadamente el 76,83 %.

3.3 Resultados al abrir el intercambiador de calor

En presencia de AQUA4D®, se observa una reducción significativa de los depósitos, especialmente en el primer compartimento frío del intercambiador. A la entrada del intercambiador, se observó una reducción del tamaño de los cristales de calcita. El análisis del tamaño de las partículas indica que el diámetro medio del volumen es de aproximadamente 63,5 ± 4 µm. Se observó una reducción del 36 % en el tamaño de los cristales.

Es importante destacar que el análisis del coeficiente de intercambio global demostró que AQUA4D® hizo que el intercambio de calor fuera sistemáticamente más eficaz a lo largo del tiempo:

5. Conclusión

Los resultados obtenidos muestran que el tratamiento AQUA4D® puede reducir eficazmente los depósitos de precipitado en aproximadamente un 80%. En el presente estudio, el precipitado depositado es calcita, en forma de aglomerados de un diámetro medio menor, del orden de 63,5 ± 4 lm. Este trabajo experimental demuestra la viabilidad de AQUA4D® para inhibir la formación de depósitos calcáreos. Los resultados de la espectroscopia RAMAN y de las imágenes SEM demuestran que la calidad física del depósito es aglomerada y de menor tamaño con el tratamiento AQUA4D®. En conclusión, el tratamiento AQUA4D® inhibe la formación de depósitos de carbonato cálcico en el intercambiador de calor. Este tratamiento físico del agua es muy eficaz y fácil de aplicar, y las aplicaciones físicas relacionadas con los fenómenos minerales pueden ser numerosas.

Las ramificaciones más amplias de este estudio implican que, mediante un tratamiento eficaz del agua, AQUA4D® puede resolver los problemas persistentes de cal, disminuyendo así la necesidad de tratamientos químicos y aumentando la eficacia y sostenibilidad de las instalaciones.