Consejos para tratar el ensuciamiento del intercambiador de calor

Cuando se tratan productos difíciles, como lodos de depuradora o productos químicos corrosivos, los intercambiadores de calor son propensos a la suciedad. Una vez evaluado el problema general y los diferentes tipos de ensuciamiento que se pueden dar, es útil observar algunas de las situaciones específicas que los equipos de ingeniería de HRS se han encontrado.

La suciedad o contaminación generalmente se puede dividir en una de cuatro categorías: químico (incluyendo sarro), biológico, suciedad por deposición (o sedimentación) y corrosión. En todos los casos la prevención es mejor que la cura, pero como cada uno de estos diferentes tipos de suciedad es causada por una combinación diferente de reacciones químicas y físicas, la prevención tomará diferentes formas.

Los siguientes párrafos describen algunos de los tipos más comunes de suciedad con la que podemos encontrarnos, y sus métodos de prevención, sin pretender ser una lista exhaustiva.

Ensuciamiento químico: scaling (incluida la cal)

La cal es el agente de contaminación químico más conocido, ya que para muchos de nosotros se acumula en nuestras teteras y tuberías. En la aplicación industrial, la formación de incrustaciones es particularmente problemática cuando el agua de refrigeración tiene un alto contenido de minerales.

Los síntomas son las típicas costras de cal que se acumulan dentro del intercambiador de calor (y generalmente en toda la línea de agua, incluidas tuberías y bombas), aunque la apariencia dependerá de factores locales y de los minerales implicados. La prevención toma la forma de dosificación química del agua (por ejemplo, con sal o ácido para agua "dura"), y se requieren agentes químicos para su limpieza y eliminación.

Ensuciamiento químico: estruvita

La estruvita (fosfato de magnesio y amonio) es un mineral de fosfato que a menudo precipita en la orina (es el material que forma los cálculos renales), sobre todo en humanos y en animales con dietas de origen vegetal (que son ricas en magnesio) o que están parasitados con organismos que generan amoníaco.

La estruvita puede ser un problema en el tratamiento de aguas residuales y fangos, especialmente en sistemas que incluyen la digestión anaeróbica, ya que el proceso libera amonio y fosfato. La estruvita forma una costra dura en muchas superficies, incluidas las tuberías interiores y los intercambiadores de calor.

Las mismas consideraciones que se aplican para el ensuciamiento químico y las ocasionadas por la cal, se aplican a la prevención de la formación de estruvita en los intercambiadores de calor. Mantener la temperatura del agua por debajo de 65ºC ayuda a prevenir su formación, al igual que la restricción de la cantidad de fósforo que se agrega al digestor. A menudo se puede eliminar físicamente, y como la estruvita es un mineral cotizado, muchas plantas de aguas residuales y empresas están estudiando su aprovechamiento desde un punto de vista comercial.

Ensuciamiento químico: vivianita

La vivianita (fosfato ferroso) puede causar un problema cuando el cloruro férrico (también conocido como licor de salmuera) se agrega a los lodos para controlar las emisiones de sulfuro de hidrógeno (H2S). Cuando la temperatura del agua es demasiado alta, esto puede provocar la aparición de una costra dura de un producto azul/verde duro (vivianita) sobre la superficie del intercambiador.

Al igual que con la estruvita, mantener las temperaturas del agua por debajo de 65 ?C., ayudará a prevenir la formación de la vivanita, al igual que el control cuidadoso de los productos químicos añadidos a la corriente de lodos, aunque esto suele estar determinado por otros factores.  La limpieza es muy difícil, a menudo confiando en el uso de soluciones de ácido clorhídrico que pueden no ser compatibles con los materiales utilizados en el intercambiador de calor y la construcción del sistema.

Ensuciamiento biológico: algas

El ensuciamiento por algas se produce cuando se usa agua de ríos o canales no tratada, para enfriamiento. Las regulaciones ambientales impiden el uso de aditivos químicos y también limitan el aumento de temperatura, por lo que las algas crecen rápidamente, en lo que es un entorno ideal.

El uso de altas velocidades o incluso intercambiadores de calor de superficie rascada puede evitar el ensuciamiento, al igual que materiales de fabricación como el cobre o el latón. Es necesario un régimen de limpieza regular.

Ensuciamiento biológico: mejillones zebra

Los mejillones cebra son una especie invasora que se ha expandido por zonas de agua dulce de todo el mundo y está provocando problemas en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Entran en las tuberías como larvas, que posteriormente colonizan; en algunas ocasiones, se han eliminado cientos de toneladas de mejillones en varias instalaciones de tratamiento de aguas.

Su presencia no es habitual en los intercambiadores de calor, y pueden controlarse mediante un lavado regular y manteniendo la velocidad del fluido a través del intercambiador por encima de 2m/s para evitar que las larvas se adhieran.

Ensuciamiento biológico: efluente filtrado final

En algunas instalaciones de tratamiento de aguas residuales, el efluente filtrado final (FFE) tomado después de la prensa de filtro se usa como un medio de enfriamiento; sin embargo, debido al alto nivel de material biológico que contiene, presenta un alto potencial de ensuciamiento, que puede ocurrir rápidamente, dependiendo de la naturaleza exacta del diseño del intercambiador de calor y del efluente filtrado final (FFE).

El tratamiento UV de la FFE ayuda a reducir la carga biológica y, por lo tanto, la posibilidad de ensuciamiento, aunque la limpieza principal se sigue haciendo mediante sistemas de limpieza cáustica in situ (CIP). Es importante especificar los intercambiadores de calor y otros equipos que sean compatibles con esos productos cáusticos.

Ensuciamiento por acumulación: sedimento.

Es la forma más común de ensuciamiento del intercambiador de calor y es causado por partículas del fluido tratado que se adhieren en la superficie del intercambiador.

Un buen diseño del intercambiador previene la formación de sedimentos, asegurándonos que el fluido tiene suficiente velocidad y presión; el uso de tubos corrugados y los intercambiadores de calor de superficie rascada van eliminando el sedimento en un proceso continuo, garantizando un funcionamiento eficiente.

Ensuciamiento por acumulación: quemado

El quemado aparece cuando la temperatura del agua es demasiado alta, lo que hace que los sedimentos (especialmente los materiales orgánicos) se adhieran a la pared del tubo. Suele ocurrir cuando hay algún fallo; por ejemplo, cuando el producto se sigue calentando, sin movimiento, lo que resulta en un sobrecalentamiento del producto.

El riesgo de quemado puede reducirse mediante un buen diseño global del sistema y entrelazando los controles para las bombas de agua y de fango, de modo que, si uno se detiene, también lo hace el otro. El control de la temperatura del agua (debería estar a menos de 80ºC) también ayudará a evitar el quemado. Por lo general, cuando esto ocurre, se puede eliminar mediante limpieza física o química.

Ensuciamiento por corrosión

Esta circunstancia puede darse cuando el producto a tratar o el material con que se ha fabricado el intercambiador de calor son susceptibles a la corrosión. Por ejemplo, el aluminio y el cobre pueden ser altamente reactivos y sufren corrosión galvánica o la formación de óxidos en la superficie del tubo que se ha utilizado para la fabricación del intercambiador.

El acero inoxidable es un material resistente a la corrosión, y presenta buenas propiedades de transferencia térmica, lo que evitaría el problema. Un buen diseño del sistema, por ejemplo, que elimine el óxido adherido, así como una limpieza regular, ayudará a prevenir la formación de corrosión.

La lista anterior ilustra algunos de los tipos más comunes de ensuciamiento que se experimentan en los intercambiadores de calor en situaciones reales, pero puede haber otros, particularmente cuando se tratan materiales con un alto potencial de ensuciamiento físico o químico, o se aplican temperaturas elevadas que pueden favorecer ciertas reacciones químicas o procesos físicos.

Los ingenieros que diseñan los intercambiadores de calor utilizan una combinación de análisis de materiales y factores de ensuciamiento calculados (un valor matemático que representa la resistencia térmica del material adherido) para garantizar que el intercambiador recomendado para una aplicación concreta no solo evite el ensuciamiento durante el mayor tiempo posible, sino que, si éste aparece, se pueda limpiar y tratar de manera eficiente y efectiva.