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

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

1. Introduction

L'entartrage des échangeurs thermiques est un problème persistant et souvent coûteux qui affecte l'efficacité et le déploiement des systèmes de chauffage durables. Il existe des procédés de nettoyage chimique, mais ils sont coûteux, polluants et nécessitent l'arrêt des installations, ce qui entraîne des pertes opérationnelles. Dans une optique de développement durable, la recherche d'alternatives peu coûteuses, robustes et écologiques se poursuit. Beaucoup se tournent désormais vers le traitement physique de l'eau afin de réduire simultanément les coûts énergétiques, de diminuer l'impact environnemental et de garantir le fonctionnement efficace de leurs infrastructures.

1.1 Traitement physique de l'eau

Au lieu de traiter l'eau par des moyens chimiques, des processus physiques agissent pour empêcher 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 à joints, afin d'étudier l'influence de cette 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 (consultez 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 afin de diffuser des champs de résonance à très basse fréquence dans l'eau.

Des paramètres tels que la température, la conductivité, le pH et les concentrations ioniques (_Ca2+,_Mg2+,_HCO3–) ont été surveillés, 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. Afin de déterminer la quantité de solide déposée dans l'échangeur, un protocole de nettoyage/dissolution a été mis en œuvre, comprenant la vidange du circuit froid à l'aide de 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 grammes/par jour/par unité de surface. Le diagramme ci-dessous illustre la procédure :

3. Résultats et discussion

3.2 Résultat : réduction des quantités de dépôts

Vous trouverez ci-dessous un résumé des résultats de quatre expériences réalisées dans des conditions de température identiques (circuit chaud à 50 °C, circuit froid à 20 °C), avec un débit de 100 L.^h-1 et une durée d'essai de 72 heures. Les dépôts totaux dans l'échangeur thermique sont estimés par lixiviation ; un bilan massique 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 ainsi que sous forme précipitée. Après traitement avec AQUA4D®, une réduction de la quantité de tartre déposé 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 taux de réduction des dépôts d'environ 76,83 %.

3.3 Résultats à l'ouverture de l'échangeur thermique

En présence d'AQUA4D®, on observe une réduction significative des dépôts, en particulier dans le premier compartiment froid de l'échangeur. À l'entrée de l'échangeur, on a observé une réduction de la taille des cristaux de calcite. 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.

Il est important de noter que l'analyse du coefficient d'échange global a montré qu'AQUA4D® rendait l'échange thermique 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 petit, de l'ordre de 63,5 ± 4 lm. Ce travail expérimental démontre la faisabilité du traitement 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 implications plus larges de cette étude suggèrent que, grâce à un traitement efficace de l'eau, AQUA4D® peut résoudre les problèmes persistants liés au calcaire, réduisant ainsi le besoin de traitements chimiques et augmentant l'efficacité et la durabilité des installations.