Comment le traitement physique de l'eau réduit l'entartrage et augmente l'efficacité des échangeurs de chaleur ?

Ceci est un résumé d'un article publié dans Chemical Engineering Science (2022).

1. Introduction

L'entartrage des échangeurs de chaleur est un problème persistant et souvent coûteux qui nuit à l'efficacité et à la mise en place de systèmes de chauffage durables. Il existe des procédés de nettoyage chimique, mais ils sont coûteux, polluants et nécessitent l'arrêt de l'usine, ce qui entraîne des pertes d'exploitation. Dans une optique de développement durable, des solutions alternatives peu coûteuses, robustes et écologiques sont en cours d'exploration. Nombreux sont ceux qui se tournent désormais vers le traitement physique de l'eau pour à la fois réduire les coûts énergétiques, diminuer l'impact sur l'environnement et assurer un fonctionnement efficace de leurs infrastructures.

1.1 Traitement physique de l'eau

Au lieu de traiter l'eau par des moyens chimiques, les procédés physiques agissent pour prévenir les dépôts de tartre et de biofilm sans modifier la minéralité de l'eau.

Une étude menée par Nihad Kamar et ses collègues de l'Université de Lorraine (France) a associé un système AQUA4D® à un échangeur de chaleur à plaques étanches, afin d'étudier l'influence de l'eau traitée sur l'incidence du carbonate de calcium problématique. À ce jour, de nombreuses études ont été menées sur les effets de ce traitement physique sur la formation de biofilms et de dépôts minéraux (voir notre section Études scientifiques ici).

En 2022, Kamar et al. ont cherché à comparer les effets de l'eau non traitée et de l'eau traitée (AQUA4D®) sur l'incidence du carbonate de calcium (_CaCO3) à l'intérieur d'un échangeur de chaleur à plaques et à joints.

2. Matériel et méthodes

La recherche a porté sur la formation de _CaCO3 à différentes températures de l'eau dans un échangeur de chaleur à plaques. Pour une durée d'essai de 72 heures et un débit de 100 L.^h-1, cette recherche a utilisé un AQUA4D® 60E Pro monté directement à l'entrée du circuit froid de l'échangeur pour diffuser des champs de résonance à très basse fréquence dans l'eau.

Des aspects tels que la température, la conductivité, le pH et les concentrations d'ions (_Ca2+, _Mg2+, _HCO3-) ont été contrôlés, ce qui permet de comprendre les mécanismes impliqués dans la précipitation du _CaCO3. Il est important de noter que le sel de carbonate de calcium a une solubilité inverse : plus il est chauffé, plus il précipite. Pour déterminer la quantité de solide déposé à l'intérieur de l'échangeur, un protocole de nettoyage/dissolution a été réalisé, comprenant la vidange du circuit froid avec du gaz comprimé, la détermination de la concentration de _Ca2+ et _Mg2+ dissous dans la solution par spectroscopie ICP-OES, et le calcul de la quantité déposée à l'intérieur de l'échangeur en gramme/par jour/par unité de surface. Le schéma ci-dessous illustre la procédure :

3. Résultats et discussion

3.2. Résultat : Réduction des quantités déposées

Ci-dessous sont résumés les résultats de quatre expériences avec des conditions de température identiques (circuit chaud 50°C, circuit froid 20°C), débit 100 L.^h-1, durée de l'essai 72 heures). Les dépôts totaux dans l'échangeur de chaleur sont estimés par lixiviation ; un bilan de masse a permis aux chercheurs d'estimer la quantité totale de carbonate de calcium. Le tableau ci-dessous résume le bilan matière :

Après trois jours, le calcium est présent sous forme dissoute et sous forme précipitée. Après le traitement AQUA4D®, une réduction de la quantité de tartre déposée sur les plaques de l'échangeur de 4,2 g/jour/m2 g à 0,89 g/jour/m2 a été obtenue, ce qui représente un ratio de réduction des dépôts d'environ 76,83 %.

3.3 Résultats à l'ouverture de l'échangeur de chaleur

En présence d'AQUA4D®, une réduction significative des dépôts est observée, notamment dans le premier compartiment froid de l'échangeur. A l'entrée de l'échangeur, une réduction de la taille des cristaux de calcite a été observée. L'analyse granulométrique indique que le diamètre moyen en volume est d'environ 63,5 ± 4 µm. Une réduction de 36 % de la taille des cristaux a été observée.

L'analyse du coefficient d'échange global a montré que AQUA4D® rendait l'échange de chaleur toujours plus efficace au fil du temps :

5. Conclusion

Les résultats obtenus montrent que le traitement AQUA4D® permet de réduire efficacement les dépôts de précipités d'environ 80%. Dans la présente étude, le précipité déposé est de la calcite, sous forme d'agglomérats d'un diamètre moyen plus faible, de l'ordre de 63,5 ± 4 lm. Ce travail expérimental montre la faisabilité d'AQUA4D® pour inhiber la formation de dépôts calcaires. Les résultats de la spectroscopie RAMAN et de l'imagerie SEM prouvent que la qualité physique du dépôt est agglomérée et de plus petite taille avec le traitement AQUA4D®. En conclusion, le traitement AQUA4D® inhibe la formation de dépôts de carbonate de calcium dans l'échangeur de chaleur. Ce traitement physique de l'eau est très efficace et facile à mettre en œuvre, et les applications physiques liées aux phénomènes minéraux peuvent être nombreuses.

Les ramifications plus larges de cette étude impliquent que, grâce à un traitement efficace de l'eau, AQUA4D® peut résoudre les problèmes de calcaire persistants, réduisant ainsi le besoin de traitement chimique et augmentant l'efficacité et la durabilité des installations.