Como o Tratamento Físico da Água Reduz a Escala e Aumenta a Eficiência do Permutador de Calor

Este é um resumo de um artigo publicado na revista Chemical Engineering Science (2022).

1. Introdução

A escalada dos permutadores de calor é um problema persistente e frequentemente dispendioso que afecta a eficiência e a implantação de sistemas de aquecimento sustentáveis. Os processos de limpeza química existem mas são dispendiosos, poluentes, e requerem o encerramento das instalações, resultando em perdas operacionais. Com o desenvolvimento sustentável em mente, há uma exploração contínua de alternativas que são baratas, robustas, e ecológicas. Muitos estão agora a recorrer ao tratamento físico da água para reduzir simultaneamente os custos energéticos, diminuir o impacto ambiental, e assegurar o funcionamento eficiente das suas infra-estruturas.

1.1 Tratamento físico da água

Em vez de tratar a água por meios químicos, os processos físicos actuam para prevenir depósitos de incrustações e biofilmes sem modificar a mineralidade da água.

Um estudo de Nihad Kamar e colegas da Universidade de Lorraine (França) emparelhou um sistema AQUA4D® com um permutador de calor de placas com gás, para estudar como esta água tratada influencia a incidência de carbonato de cálcio problemático. Até à data, foram realizados numerosos estudos sobre os efeitos deste tratamento físico na formação de biofilme e na formação de depósitos minerais (ver a nossa secção Estudos Científicos aqui)

Agora, em 2022, Kamar et al. tinham como objectivo comparar os efeitos da água não tratada vs (AQUA4D®) tratada na incidência de carbonato de cálcio (CaCO3) no interior de uma placa e de um permutador de calor de juntas.

2. Material e métodos

A investigação analisou a formação de CaCO3 sob diferentes temperaturas de água dentro de um permutador de calor de placas. Durante uma duração de ensaio de 72 horas e um caudal de 100 L.h-1, esta investigação utilizou um AQUA4D® 60E Pro montado directamente na entrada do circuito frio do permutador para difundir campos de ressonância de muito baixa frequência na água.

Foram monitorizados aspectos incluindo temperatura, condutividade, pH, e concentrações de iões (Ca2+, Mg2+, HCO3-), o que permite compreender os mecanismos envolvidos na precipitação de CaCO3. É importante notar que o sal de carbonato de cálcio tem uma solubilidade inversa: quanto mais é aquecido, mais precipita. Para determinar a quantidade de sólido depositado no interior do permutador, foi realizado um protocolo de limpeza/dissolução, envolvendo a drenagem do circuito frio com gás comprimido, determinação da concentração de Ca2+ e Mg2+ dissolvido na solução por espectroscopia ICP-OES, e cálculo da quantidade depositada no interior do permutador em grama/por dia/por unidade de área. O diagrama abaixo ilustra o procedimento:

3. Resultados e discussão

3.2 Resultado: Redução das quantidades de depósito

Abaixo estão resumidos os resultados de quatro experiências com condições idênticas de temperatura (circuito quente 50°C, circuito frio 20°C), taxa de fluxo 100 L.h-1, duração do ensaio 72 horas). Os depósitos totais no permutador de calor são estimados por lixiviação; um balanço de massa permitiu aos investigadores estimar a quantidade total de carbonato de cálcio. A tabela abaixo resume o balanço de materiais:

Após três dias, o cálcio está presente na forma dissolvida, bem como na forma precipitada. Após o tratamento com AQUA4D®, obteve-se uma redução da quantidade de escala depositada nas placas permutadoras de 4,2 g/dia/m2 g para 0,89 g/dia/m2, o que representa uma relação de redução de depósito de cerca de 76,83 %.

3.3 Resultados ao abrir o permutador de calor

Na presença de AQUA4D®, observa-se uma redução significativa dos depósitos, especialmente no primeiro compartimento frio do permutador. Na entrada do permutador, foi observada uma redução do tamanho do cristal de calcite. A análise do tamanho da partícula indica que o diâmetro médio do volume é de cerca de 63,5 ± 4 µm. Foi observada uma redução de 36 % do tamanho do cristal.

É importante notar que a análise do coeficiente de troca global mostrou que o AQUA4D® tornou a troca de calor consistentemente mais eficaz ao longo do tempo:

5. Conclusão

Os resultados obtidos mostram que o tratamento com AQUA4D® pode reduzir eficazmente os depósitos precipitados em cerca de 80%. No presente estudo, o precipitado depositado é calcite, sob a forma de aglomerados de menor diâmetro médio, da ordem de 63,5 ± 4 lm. Este trabalho experimental mostra a viabilidade do AQUA4D® para inibir a formação de depósitos de calcário. Os resultados da espectroscopia RAMAN e das imagens SEM provam que a qualidade física do depósito é aglomerada e de menor tamanho com tratamento AQUA4D®. Para concluir, o tratamento com AQUA4D® inibe a formação de depósitos de carbonato de cálcio no permutador de calor. Este tratamento físico da água é muito eficiente e fácil de implementar, e as aplicações físicas relacionadas com fenómenos minerais podem ser numerosas.

As ramificações mais amplas deste estudo implicam que através de um tratamento eficaz da água AQUA4D® pode resolver problemas persistentes de calcário, diminuindo assim a necessidade de tratamento químico e aumentando a eficiência e sustentabilidade das instalações.