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

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

1. Introducción

La acumulación de incrustaciones en los intercambiadores de calor es un problema persistente y a menudo costoso que afecta a la eficiencia y la implantación de sistemas de calefacción sostenibles. Existen procesos de limpieza química, pero son costosos, contaminantes y requieren el cierre de la planta, lo que se traduce en pérdidas operativas. Teniendo en cuenta el desarrollo sostenible, se están buscando alternativas que sean económicas, robustas y ecológicas. Muchos están recurriendo ahora al tratamiento físico del agua para reducir simultáneamente los costes energéticos, disminuir el impacto medioambiental y garantizar el funcionamiento eficiente de sus infraestructuras.

1.1 Tratamiento físico del agua

En lugar de tratar el agua con medios químicos, los procesos físicos actúan para prevenir los depósitos de incrustaciones y biopelículas sin modificar la mineralidad del agua.

Un estudio realizado por Nihad Kamar y sus colegas de la Universidad de Lorena (Francia) combinó un sistema AQUA4D® con un intercambiador de calor de placas con juntas, para estudiar cómo esta agua tratada influye 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 sin tratar frente al agua tratada con (AQUA4D®) sobre la incidencia de carbonato cálcico (_CaCO3) en el interior de un intercambiador de calor de placas y juntas.

2. Material y métodos

La investigación analizó la formación de_{CaCO3 a} 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 monitorizaron aspectos como la temperatura, la conductividad, el pH y las concentraciones iónicas (_Ca2+,_Mg2+,_HCO3–), lo que permite comprender los mecanismos implicados en la precipitación del_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 intercambiador, se llevó a cabo un protocolo de limpieza/disolución, que consistió en el drenaje 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 siguiente diagrama ilustra el procedimiento:

3. Resultados y discusión

3.2 Resultado: Reducción de las cantidades de depósito

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

Después de tres días, el calcio está presente tanto en forma disuelta como en forma precipitada. Tras el tratamiento con AQUA4D®, se obtuvo una reducción de la cantidad de incrustaciones depositadas en las placas del intercambiador de 4,2 g/día/m2 g a 0,89 g/día/m2, lo que representa una reducción de los 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. En 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 mostró que AQUA4D® hizo que el intercambio de calor fuera más eficaz de forma constante a lo largo del tiempo:

5. Conclusión

Los resultados obtenidos muestran que el tratamiento con AQUA4D® puede reducir eficazmente los depósitos de precipitados en aproximadamente un 80 %. En el presente estudio, el precipitado depositado es calcita, en forma de aglomerados de un diámetro medio más pequeño, del orden de 63,5 ± 4 lm. Este trabajo experimental demuestra la viabilidad de AQUA4D® para inhibir la formación de depósitos de cal. Los resultados de la espectroscopia RAMAN y 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 amplias ramificaciones de este estudio implican que, mediante un tratamiento eficaz del agua, AQUA4D® puede resolver los problemas persistentes de cal, reduciendo así la necesidad de tratamientos químicos y aumentando la eficiencia y la sostenibilidad de las instalaciones.