CONSERVACIÓN DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE CALEfACCIÓN Y ENFRIAMIENTO MEDIANTE :

Activador de Agua

Una presentación de: ELCE Internacional In., Iran

Resumen: El equipo activador de agua ELCE, está definido como un método de tratamiento de agua no químico, utilizado con el propósito de mitigar o prevenir las incrustaciones. Este estudio introduce el complejo mecanismo del equipo activador de agua ELCE., y conduce a un número posterior de pruebas experimentales para evaluar el desempeño del mismo. Tambien son descritas las ecuaciones de transferencia de calor, con el objetivo de demostrar técnicamente, el efecto de prevención de incrustaciones sobre el ahorro de energía, y como consecuencia, la protección del medio ambiente. Los resultados de las resistencias indeseadas obtenidas en la sección de prueba de transferencia de calor, demuestran claramente los beneficios del activador de agua ELCE estando configurado en una condición óptima. Los resultados fueron obtenidos en los Métodos de Difracción de rayos X y SEM para un uletrior exámen de la diferencia en la estructura de los cristales del agua sin tratamiento, con la tratada con el activador de agua ELCE. Por otra parte, fue medida la tensión superficial de las muestras de agua, encontrándode que el activador de agua ELCE reduce la tensión superficial en aproximadamente un 20 % bajo tratamientos repetidos en torres de enfriamiento, pinturas, limpieza y otras aplicaciones.

Mitigación de Pérdidas : Reducción del Derroche de Energía Un estudio dirigido por la Universidad de Surrey (1992) encontró que el costo de las pérdidas en paises industrializados se calcula en aproximademente el 0.25% del producto bruto nacional.

COSTO TOTAL DE PÉRDIDAS POR AÑO País

1992 PNB ($ Billion)

Fouling Costs / PNB (%)

Gran Bretaña

Costos pérdidas ($ Million) 2,500

1,000

0.25

Estados Unidos

14,175

5,670

0.25

Nueva Zelanda

64.5

43

0.15

Australia

463

309

0.15

Alemania

4,875

1,950

0.25

Japón

10,000

4,000

0.25

Total del mundo Industrializado

45,020

22,510

0.20

Un Ejemplo El consumo total de energía de Singapur en el 2001 fue de alrededor de 30,000 GWh, con un costo de $ 4.8 billion. Se estimó que el derroche de energía como resultado de las pérdidas en intercambiadores de calor ascendió al 2.5%-3 % del consumo de enrgía. Esto se traduce a pérdidas entre $ 0.12 -$ 0.15 billones por año, o cerca del 0.08 %-0.10 % del PBN de Singapur ($153.5 billion) en el 2001.

CAÍDA TÍPICA DEL CONSUMO DE ENERGÍA EN EDIFICIOS COMMERCIALES El aire acondicionado demanda alrededor del 60% del consumo de energía en la mayoría de los edificios comerciales. Así, una reducción del 5-10% del consumo de energía, puede ahorrarle al propietario del inmueble, cientos o miles de dólares al año. El continuo incremento del costo de la energía ha hecho atractivo a los propietarios de edificios, observar soluciones ingenieras para disminuir los costos de operación.

http://www.neec.gov National Environment Agency, Mandatory Energy Audits for Large Energy Consumers

Mecanismos de Ahorro de Energía El ahorro de energía primario resulta de una disminución del consumo de energía en aplicaciones de calefacción o enfriamiento. Este ahorro está asociado con la prevención o remoción de incrustaciones formadas sobre la superficie de un intercambiador de calor, donde una fina capa (1/32" or 0.8 mm) puede incrementar el consumo de energía en cerce de un 10%. Ejemplos de resultados del ahorro, producto de la remoción de incrustaciones de calcio y magnesio, se muestran en la páginas siguientes. Un ahorro secundario de energía, puede ser atribuido a la reducción de la carga de las bombas, o a la presión del sistema requerida para mover el agua a través del ilimitado sistema de tuberías libre de incrustaciones

Los Métodos de Tratamientos Físicos del agua (no-químicos) para la Mitigación de dépósitos e incrustaciones incluyen: 1- El uso de campos magnéticos. 2- El uso de campos eléctricos. 3- Alteración de las cargas superficiales del agua. 4- Alteración Mecánica (tales como equipos de flujo de vórtice, ultrasonido cambiso bruscos de presión).

El efecto aparente de estos métodos es prevenir la formación de incrustaciones sobre las superficies, permitiendo que los sólidos disuletos sean llevados con el agua de proceso, o removidos en condiciones concentradas como en las purgas de las torres de enfriamiento.

¿Qué es el Activador de Agua ELCE y cómo trabaja?

Energía

Conservación = Mejora ambiental

Los métodos físicos, que ofrecen ahorros economicos y son amigables con el medio ambiente, están reemplazando gradualmente los métodos químicos, los caules son más costosos, crean peligros ambientales, como también reducen la longevidad de equipos y partes en sistemas de refrigeración enfriados por agua. La technología ELCE ofrece la ventaja única de ser libre de químicos, y un método de

ELCE significa Electrical Ceramics ELCE es un activador de agua desarrollado sobre la base de la fluidización electrolítica por cerámicas especiales. Este sistema de tratamiento de agua cambia las propiedades físicas de la misma sin remover ni añadir impurezas químicas, iones o minerales. El elemento esencial del dispositivo ELCE radica en las propiedades de sus esferas cerámicas (temperatura de fusión 1200 oC, dureza 6.8 mhos) extraídas de rocas naturales. ELCE ofrece una gran resistencia y durabilidad. Debido a sus características especiales, el activador de agua puede alcanzar óptimos resultados en una gran diversidad de aplicaciones.

Principios del del Activador Activador de de Agua Agua ELCE ELCE Principios Activated water

Activation process

Tap Water

Las esferas de cerámica contenidas dentro del dispositivo ELCE rotan y se friccionan unas contra otras en efecto remolino, debido a la corriente de agua que fluye a través del activador. Este movimiento genera diferentes energías eléctricas: Piroelectricidad: Energía generada a causa de la diferencia de temperatura existente entre las superficies de las cerámicas y el agua, o entre sus caras internas y externas. Este flujo de electrones interactúa con el agua. Piezoelectricidad: Son corrientes eléctricas creadas por el cambio de presión que sucede al paso del agua a través de las cerámicas, o por la variación de presión entre las propias esferas en su movimiento de frotación. Electricidad de fricción: Esta es producida por la fricción entre las esferas cerámicas o por colisión entre las cerámicas y el agua y el cuerpo del activador.

PRINCIPIOS DE ELCE Principios del equipo y efectos del Agua Activada El flujo de agua al pasar por el dispositivo genera movimientos erráticos de las esferas de cerámica contenidas dentro del mismo provocando como resultado, una interacción mecánica en los elementos contenidos en el sistema (agua, cerámicas, paredes del equipo, agitación, turbulencia, fricción, estrés, impacto.) ocasionando un incremento en la temperatura por ser un proceso repetitivo. Al intensificar este proceso, se complementan todos los elementos y se obtienen varios tipos de micro energía eléctrica, a saber: piroelectricidad, piezoelectricidad y electricidad por fricción. La única fuente de energía para producir esta micro electricidad bajo estas condiciones es la energía mecánica resultante por el paso del flujo de agua dentro de la carcasa de equipo, obteniendo entonces, la micro electrólisis del agua.

ACTIVADOR DE AGUA ELCE Beneficios Generales

Remoción de incrustaciones y prevención de nuevas formaciones. Remoción de herrumbre. Efecto limpiador. Efecto deodorizante.

Cuerpo del Activador. El activador de agua ELCE está construido en dos presentaciones: 1. Acero inoxidable SS 306 probado hasta 10 atm de presión. 2. Equipos plásticos para propósitos específicos. Alrededor del 40% del espacio interior del equipo, está relleno de cerámicas ELCE (EL electrical, CE - ceramics), “el principal elemento de trabajo del activador". Las cerámicas están elaboradas sobre la base de rocas naturales, trituradas y molidas, seguido de un proceso de peletización en microesferas (bolas) de alrededor de 2 mm de diámetro y luego sinterizadas a 1200°C. Las electrocerámicas están constituidas por varios componentes, pero el sílice y el aluminio son los fundamentales. No es necesario el suministro de una fuente externa de energía para su funcionamiento, en su lugar, la presión del flujo de agua es usada como energía de trabajo. Una malla interior previene la fuga de las cerámicas del equipo. Las dimensiones del activador están definidas por el caudal a tratar.

Propiedades del Agua Activada. Las propiedades del agua activada están basadas sobre varios estudios. Las propiedades físicas del agua activadas son modificadas, promoviendo los siguientes eventos: • Los agregados de moléculas de agua disminuyen en tamaño (activación de racimo) • Disminución de la tensión superficial. • Cambios en el Potencial Redox. • Formación de núcleos de cristales de sal en el agua. • Activa la permeabilidad de las molecules de agua a través de estructuras porosas de superficies duras. • Formación de una capa protectora y anticorrosiva sobre la superficie de los metales. • Alta capacidad de penetración a través de las membranas de las células en organismos vivos y plantas. • Alta capacidad sanitaria. • Efecto desodorizante. • Conservación de las propiedades químicas y la composición del agua natural.

La technología ELCE ofrece una alternativa factible y económica para los sistemas de enfriamiento por agua de los condensadores evaporativos. La integración armónica del sistema ELCE, los beneficios en el ahorro de potencia, la reducción en los costos de energía, costos mínimos de operacíon y mantenimiento, rápida recuperación de la inversión, largo periodo de garantía y compatibilidad con el medio ambiente, nos permite recomendar a éste, como el sistema de tratamiento de agua ideal para los condensadores evaporativos.

Efecto del agua activada Elce sobre condensadores de tubo y coraza afectados por severas incrustaciones.

Al principio de la prueba

49 dias fueron suficientes para la limpieza total

Luego de 17 dias

Luego de 30 dias

Resultados del Empleo de ELCE en Condensadores Evaporativos Antes de la Instalación

30 días posteriores a la Instalación

Tensión Superficial • •

• • •

Bajo la superficie, las fuerzas actúan igualmente en toda direcciones. En la superficie, algunas fuerzas están ausentes, empujando a las moleculas juntas hacia abajo, como una membrana exenta de tensión sobre la superficie. Si la interface está curveada, existirá mayor presión sobre la parte cóncava. El incremento de la presión está balanceada por la tensión superficial, = 0.073 N/m (@ 20oC)

Interface

aire

agua Fuerza neta de protección No existe fuerza neta

Tensión Superficial. Esta es una fuerza interna, debido a un desbalance en la fuerzas moleculares que ocurre cuando dos materiales diferentes (p.e., una gotita de líquido sobre una superficie sólida) son puestos en contacto, formando entre ellos una interface o frontera. La fuerza se debe a la tendencia de todos los materiales a reducir su área superficial al desbalance en las fuerzas moleculares que ocurren en sus puntos de contacto. El resultado de estas fuerzas variará para diferentes sistemas de líquidos y sólidos, lo cual dicta la mojabilidad y el ángulo de contacto entrela gota y la superficie.

Sección transversal de la pata del insecto

F

F=Tensión superficial sobre 1 lado de la pata

Medición de la Tensión Superficial -- Anillo de du Nouy -- -- Método del Peso de la Gota --

wt total = wt ring + 2(2πR ) γ

wttotal = Peso total wtanillo = Peso del anillo R = Radio del anillo γ = Tensión surperficial Adamson, Physical Chemistry of Surfaces, 2nd Ed p. 22 (1976)

W = 2π rσ W = Peso de la gotita. r = Radio de la gotita. σ = Tensión superficial Adamson, Physical Chemistry of Surfaces, 2nd Ed p. 19 (1976)

Dependencia de la Tensión Superficial de la Temperatura La tensión superficial de los líquidos es afectada por la temperatura :

σ = 75.69 – Water (20°C): Glicol (20°C): Cloroformo (20°C): Alcohol etílico(20°C): Alcohol isopropílico(20°C): °C 0 5 10 15 20

mN/m 75,7 75,0 74,3 73,5 72,7

°C 25 30 35 40 45

mN/m 72,0 71,2 70,4 69,6 68,7

0.1413 T – 0.0002985 72,7mN/m T2 47,7mN/m 27,2mN/m 22,4mN/m 21,7mN/m

°C 50 55 60 65 70

mN/m 67,9 67,0 66,1 65,2 64,3

°C 75 80 85 90 95

(dyn/cm) (dyn/cm) (dyn/cm) (dyn/cm) (dyn/cm)

mN/m 63,4 62,5 61,5 60,6 59,6

Efectos de ELCE sobre la Tensión Superficial: El activador de agua ELCE modifica la tensión superficial del agua. La tension superficial del agua corriente mide 72 dyn/cm. Sin embargo, el activador de agua ELCE crea una tensión superficial mas baja entre 50 a 60 dyn/cm. Como resultado, el agua activada ofrece una mayor actividad de superficie e incrementa significativamene su poder de limpieza. Estas características superiores de limpieza proporciona una mayor fuerza de penetración a los resquicios formados por las incrustaciones, así, los depósitos de incrustaciones se remueven por el efecto de la presión osmótica.

La Tensión cae gradualmente al valor más bajo debido a la Presencia del equipo Activator de Agua ELCE y aparece un interesante fenómeno : “ El efecto del agua activada es igual al del agua tibia “

Tensión Superficial (dyn/cm)

75 71 69

70

65 63

65 60

nivel 70

o

63

C

55 50

0

5

10

Tiempo (minutos)

15

20

REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL DEL AGUA, EMPLEANDO LA TECNOLOGÍA DEL ACTIVADOR DE AGUA ELCE. “ Disolviendo las fuerzas de enlace del agua ”

Figura A / Superficie altamente Hidrofóbica con Micro-Estructura; las gotas de agua son capaces de tomar las partículas de suciedad y removerlas de la superficie.

Figura B / Superficie convencional; las gotas de agua que corren a través de la superficie no removerán las partículas de suciedad.

Tipos de Impurezas Minerales:

Impurezas en el Agua No Tratada: Obstrucción por Cristalización de impurezas El agua de circulación en torres de enfriamiento, típicamente contiene cantidades excesivas de iones minerales, tales como el calcio y el magnesio, debido a la evaporación del agua, haciendo así el agua dura. Cuando el agua dura es calentada dentro de un equipo de transferencia de calor, los iones calcio y bicarbonatos precipitan debido a la repentina caida en la solubilidad, formando duras incrustaciones en superficies y válvulas distribuidoras. Tales incrustaciones endurecidas son comunes en equipos de transferencia de calor que emplean agua no tratada como medio de enfriamiento. Es bien conocido, que dichas incrustaciones no pueden ser removidas a golpe de cepillo. Con frecuencia se requiere de una limpieza con ácidos para remover estas incrustaciones endurecidas, las cuales pueden eventualmente conducir a fallas prematuras en los equipos y producir residuales químicos para su disposición. Cuando algun material indeseado se deposita en la superficie de un intercambiador de calor, se le llama impureza. Los factores que afectan la nucleación y la consecuente formación de cristales, son la concentración de materiales indeseados (escorias), temperatura, pH, presión, tiempo, velocidad de flujo, movimientos mecánicos, radiación, e impurezas.

Tipos de Impurezas Minerales: Obstrcción por Partículas de Impurezas. Desde que los tratamientos de agua físicos (No Químicos) están cercanamente relacionados a la obstrcción por particulas, la definición y características de la obstrcción por particulas es brevemente descrita. La obstrcción por particulas es un proceso de deposición de partículas arrastradas por el fluido, como tambien por aquellas materias generadas en en la solución. Cuando se compara las incrustaciones producidas en la obstrcción cristalización, las incrustaciones producidas en la obstrcción por particulas son mucho más suaves. El término “partícula” es en general, y puede ser referido a particulas de materiales, bacterias, productos de la corrosión y otros, categorizado la obstrcción por particulas en tres principales procesos: transporte de las partículas desde el seno del fluido a la superficie, la adhesión de las partículas a la superficie y la reincorporación de las partículas, previamente depositadas en la superficie, de nuevo al seno del fluido. La deposición de partículas puede ser dividida en los mecanismos de transportación y aglomeración. Primero, la partícula tiene que ser transportada a la superficie por una o la combinación de mecanismos, incluyendo los movimientos Brownianos, difusión turbulenta, o en virtud del momentum poseído por la partícula. La la obstrcción por particulas difiere de la obstrucción por cristalización: La primera produce generalmente una capa de lodo suave, mientras la segunda produce con frecuencia, una incrustación tenazmente dura en los equipos de transferencia de calor. Note que la suave capa de incrustación de la obstrcción por particulas puede convertirde en una incrustación dura, si se deja sobre la superficie de transferencia calórica por prolongados periodos de tiempo.

Tipos de Impurezas Minerales: Calcita y Aragonita El carbonato de calcio es uno de los tipos de incrustaciones mas comunes. Las dos estructuras morfológicas de cristales de carbonato de calcio comunmente encontradas en la naturaleza son la calcita y la aragonita. Ellas poseen el mismo componente químico, CaCO3, pero difieren en muchos aspectos. La calcita se forma, a temperatura ambiente, (p.e., por debajo de 30oC), es fácilmente eliminada con ácido clohídrico débil, y menos adherente que la aragonita. Posee una forma de cristal exagonal, con una gravedad específica de 2.71. La Aragonita, por su parte, se forma a altas temperaturas (p.e., por encima de 30oC) y es dificil de eliminar, teniendo una forma de cristal ortorómbico y una gravedad específica de 2.94. La Aragonita es la forma más problemática del carbonato de calcio en comparación a la calcita, debido a que ésta forma depósitos más densos y duros que la calcita en equipos de transferencia de calor. Ha sido de interés el apreciar, cuál de las incrustaciones producidas en el agua tratada por equipos no químicos es calcita o aragonita. Este resultado puede ser investigado mediante el análisis de muestras de incrustaciones, empleando el método de difracción de rayos X.

Estudios Microscópicos han demostrado que el carbonato de calcio, en agua no tratada, posee una estructura de ramas de barras múltiples. En pruebas efectuadas con el activador de agua ELCE, tuvimos la oportunidad de demostrar que la forma del cristal de carbonato de calcio fue transformado a una froma cuboide o casi completamente redondeada. Esta estructura alterada previene la formación de incrustaciones por enlaces entre una y otra molécula para formar partículas, las cuales, cubren eventualmente la superficie de los equipos de transferencia de calor. Al mismo tiempo, tales partículas actúan como un efecto de chorro de arena sobre la superficie de las incrustaciones, tal como el efecto de reducción que provoca un papel de lija sobre cualquier superficie. Como se describió previamente, el activador de agua ELCE posee la habilidad de remover los depósitos de incrustaciones y de prevenir nuevas formaciones de las mismas. El activador de agua tambien ess capaz de prevenir la corrosión de surficies con las que está en contacto.

El agua corriente está conformada por 40 grupos de moléculas dentro del núcleo.

El agua activada ha reducido el número de grupos a 6 dentro del núcleo.

Modificaciones a las propiedades físicas del agua. La condición de los grupos de moléculas del agua antes y despues de la activación.

Comparación de la estructura de las moléculas de carbonato de calcio antes y después del tratamiento con el activator de agua ELCE.

Estructura de las moléculas de CaCO3 en agua corriente.

Estructura de las moléculas de CaCO3 en agua activada.

Coeficiente Total de Transferencia de Calor

Q = UA∆Tm • El coeficiente total de transferencia de calor para un plano de pared simple, fino y limpio, puede ser escrito como:

1 1 UA = = t 1 1 Rt + + hi Ai kA ho Ao

Geometría Tubular • Para un intercambiador tubular limpio e indefinido, el coeficiente general o total de transferencia de calor está dado por:

1 1 Uo Ao = Ui Ai = = Rt ⎡ 1 ln( ro / ri ) 1 ⎤ ⎢ h A + 2π kL + h A ⎥ o o⎦ ⎣ i i

U basado en el área superficial externa. • U está basado usualmente en el área exterior. U, basado sobre la superficie externa de la pared para un intercambiador tubular está dado por:

Uo =

⎡ ro ⎢r ⎣ i

1 ro ln( ro ri ) 1 ro 1⎤ + R fi + + R fo + ⎥ hi ri k ho ⎦

Resistencia de Pared La resistencia de pared es obtenida de las siguientes ecuaciones: ⎧t ⎪⎪ k A Rw = ⎨ ⎪ ln(ro/ri) ⎩ 2π kL

(Para una pared plana) (Para una pared tubular)

Obstrucciones Para el intercambiador de calor, el cual la pared está obstruida por la formación de depósitos en ambos lados de su superficie, la resistencia térmica total puede ser expresada como: R fi R fo 1 1 1 1 1 Rt = = = = + Rw + + + UA U o Ao U i Ai hi Ai Ai Ao ho Ao

Factor de Obstrucción

Espesor de la incrustación (pulgadas)

Factor de obstrucción (pie2 hr oF /Btu ) = Conductividad térmica [(Btu/ pie2 hr of)/pulg]

Conductividad Térmica de los Sedimentos MATERIAL

Analcita Fosfato de calcio Sulfato de calcio Fosfato de Magnesio Óxido de hierro magnético Incrustación de sílice ( porosa ) Caldera de hierro Ladrillo refractario. Ladrillo de aislamiento.

Conductividad térmica, 2

o

Btu/ ft hr f 8.8 25 16 15 20 0.6 310 7 0.7

Resistencias contrarias a la transferencia de calor. Q = U A ∆T

R= 1/U = do/di hi + ffo + ffi do/di + do ln(do/di)/24Km + 1/ho

U Hi Ho di do ffi ffo Km

Coeficiente general de transferencia de calor, Btu/ pie2 hr oF Coeficiente convectivo de transferencia de calor , dentro del tubo, Btu/ pie2 hr oF Coeficiente convectivo de transferencia de calor , fuera del tubo, Btu/ pie2 hr oF ∆Tmax – ∆Tmin Diámetro interior del tubo, pulg. ∆T = Diámetro exterior del tubo, pulg. ln ( ∆Tmax / ∆Tmin ) Factor de obstrucción, pie2 hr oF /Btu, dentro del tubo. 2 o Factor de obstrcción, pie hr F /Btu, fuera del tubo. ∆T Diferencia de temperatura corregida media-log , oF Conductividad Térmica del metal, Btu/pie hr oF ∆Tmax Diferencia Máxima terminal, oF ∆Tmin Diferencia Mínima terminal, oF A Área superficial, pie2

Resistances (pie2hroF/Btu)

1- Gas-side heat transfer (do/di hi ) 2- Obstrucción del lado del gas ( ffo ) 3- Resistencia del metal ( ffi do/di ) 4- Obstrucción del lado del vapor (do ln(do/di)/24Km) 5- Transferencia de calor del lado del vapor ( 1/ho )

Valores típicos de Resistencias No. Resistencia (pie2 hr oF / Btu) 1 Transferencia de calor por el gas 2 Impurezas del gas 3 Resistencia del metal 4 Impurezas del vapor 5 Transfererencia de calor del vapor

Fórmula

Valor típico

(do/di hi )

0.1

( ffo )

0.00226

( ffi do/di ) (do ln(do/di)/24Km) ( 1/ho )

Resistencia total (pie2 hr oF / Btu)

0.00041 0.001 0.0005

0.10417

Resistencia por impurezas %

2.17

Una capa de sílice con un espesor de 0.03 pulgadas : pie2 hr oF /Btu ffo = 0.03/0.6 = 0.05 No. Resistencia (pie2 hr oF / Btu)

Formula

Valor típico

1 Transferencia de calor por el gas

(do/di hi )

0.1

2 Impurezas por el gas

( ffo )

0.05

3 Resistencia del metal

( ffi do/di )

0.00041

4 Impurezas por el vapor 5 Transferencia de calor por el vapor

Resistencia Total (pie2 hr oF / Btu) Resistencia de impurezas %

(do ln(do/di)/24Km) ( 1/ho )

0.001 0.0005

0.15191 32.91

CÓMO LA INCRUSTACIÓN AFECTA LA TRANSFERENCIA DE CALOR El programa de tratamiento de agua debe proveerlo con el mayor y más eficiente funcionamiento de su caldera, así es importante comprender cómo la menor cantidad de incrustaciones de impurezas puede afectar la eficiencia de la transferencia de calor en la caldera. Cuando la transferencia de calor está en su pico, sólo una mínima cantidad de combustible es necesaria para proveer la cantidad de vapor que su producción demanda. En incremento de las incrustaciones, impide la transferencia calórica, requiriéndose de mayor cantidad de combustible pera generar el vapor necesario para el calentamiento o la producción. La siguiente tabla, ilustra la cantidad de combustible necesario para que su transferencia de calor decrezca, debido a las incrustaciones de impurezas. Este decrecimiento impacta directamente su cuadro de ganancias.

PROPIEDADES AISLANTES DE LAS INCRUSTACIONES EN CALDERAS Espesor de las incrustaciones en pulgadas

Pérdida promedio de eficiencia

Petróleo perdido por cada 1000 galones

Libras de carbón perdido por tonelada

Gas Perdido por 1000 pies Cúbicos

1/64

4%

40

80

40

1/32

7%

70

140

70

1/16

11%

110

220

110

1/8

18%

180

360

180

3/16

27%

270

540

270

1/4

38%

380

760

380

3/8

48%

480

960

480

1/2

60%

600

1200

600

5/8

74%

740

1480

740

3/4

90%

900

1800

900

Las composición químico mineral de los diferentes tipos de agua, hacen que las propiedades aislante de la incrustación en la caldera varíe. Este hecho hace difícil el valor exacto del aislamiento de calor de cualquier espesor de incrustación. Las pérdidas de eficiencia pueden ser tan altas como un 15 % para cada 1/16 fracciones de pulgada de una incrustación normal de calcio y magnesio y a más del doble cuando se trata de una incrustación de sílice y hierro. La tabla anterior es un promedio de las pérdidas calóricas de varios tipos de incrustaciones.

Pérdidas de Energía (%) vs. Espesor de la incrustación

Pérdidas m edias de eficiencia (%)

100 80 60 40 20 0

0.40

0.79

1.59

3.18

4.80

6.35

9.53

12.70

15.87

19.05

1/64

1/32

1/16

1/8

3/16

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

Espesor de la incrustación (m m ) Espesor de la Incrustación (pulgadas)

OBSTRUCCIONES EN SISTEMAS HVAC. Cuando se emplea una bomba de calor, ésta es usada como sistema de aire acondicionado en verano, así como bomba de calor en invierno. Cuando esta es usada como sistema de aire acondicionado, el HX (intercambiador de calor) exterior es usado como condensador, donde el calor tiene que ser rechazado a los alrededores. La torre de enfriamiento por agua es usada también en los condensadores enfriados por agua, y el calor es rechazado del condensador como agua evaporada en la torre de enfriamiento. Así, los iones minerales en el agua de circulación se acumulan y la concentración éstos se incrementa en el tiempo, creando problemas de obstrucciones en los tubos de los condensadores. Por esta razón, es esencial prevenir la formación de incrustaciones minerales en el interior del condensador, mientras éste sea empleado como equipo de aire acondicionado. Cuando el sistema es conectado a una bomba de calor, el HX exterior es usado como evaporador. Si el evaporador está obstruido por su uso en el verano, la bomba de calor no operará eficientemente. Sistemas de enfriamiento por agua abiertos, tales como sistemas de condensación enfriados por agua, son susceptibles a la acumulación de incrustaciones en sus superficies de transferencia de calor. Los sólidos precipitados, de los depósitos de incrustaciones, tanto duras como suaves, sobre las superficies de intercambio de calor, incrementan la resistencia a la transferencia calórica y consecuentemente, disminuye la eficiencia térmica del equipo.

El aire acondicionado enfriado por agua, realiza el intercambio mediante la circulación de agua fría por el interior del intercambiador de calor (condensador). Sin embargo, con el lapso del tiempo de operación se forman incrustaciones sobre las paredes interiores de los tubos del intercambiador (depósitos minerales tales como el Si y el Ca), los cuales disminuyen la eficiencia del intercambio calórico. Como resultado, la presión de operación de incrementa haciendo mayor el consumo de potencia. Si no se remedia esta situación, la presión de operación seguirá aumentando, deteniendo eventualmente el equipo cuando el dispositivo de seguridad se dispara. Para restaurar la eficiencia de transferencia de calor, el interior del tubo de intercambio de calor debe estar limpio y desincrustado. Fuera preferido que un óptimo ciclo de limpieza sea encontrado por lo incrementos comerciales debido al incremento del consumo de potencia con los costos de limpieza.

Un ejemplo de las pérdidas de energía en Sistemas de enfriamiento.

Alta presión Kg./cm2

Causado por la precipitación de calcio y magnesio y otras sales de limitada solubilidad, las incrustaciones, en adición a su alto valor de aislamiento, reducen progresivamente el diámetro interno de las tuberías y la rugosidad de sus paredes, impidiendo de esta forma, el paso del flujo apropiado a través de ellas. En sistemas de refrigeración por compresión, la incrustación se traduce en mayores presiones extremas, y por lo tanto, un incremento de los requerimientos de potencia y de costos. Por ejemplo, 1/8" de incrustación en una unidad de refrigeración de 100 ton representa un incremento del 22% en energía eléctrica comparado con una unidad de la misma capacidad libre de incrustaciones. Similarmente, en sistemas de absorción, la incrustación crea una mayor presión de retorno en el concentrador, incrementando el gasto de energía. Mientras que la formación de incrustaciones procede de forma más rápida en sistemas abiertos de recirculación, atribuido al efecto de la concentración por evaporación, el resto de los sistemas no están exentos de incrustaciones, si las altas temperaturas se combinan con cieno y hierro.

Activador de Agua ELCE Instalado en La Refinería Arak – NIORDC , I. R. Irán , Agosto 9, 2003

Activador de agua ELCE

Flujómetro

Activador de Agua ELCE Instalado en La Refinería Arak – NIORDC , I. R. Irán , Agosto 9, 2003

Diagrama de instalación del Activador de Agua ELCE.

MAZO DE TUBOS LIMPIOS ANTES DEL SERVICIO

CALENTADOR DE AGUA E-4003 – REFINERÍA DE ARAK

MAZO DE TUBOS OBSTRUIDOS AL FINAL DEL PERIODO NORMAL ( SIN ELCE )

EFECTO DEL ACTIVATOR DE AGUA ELCE SOBRE TUBOS DE E-4003 PETRÓLEO DE ARAK)

(REFINERÍA DE

TUBOS AL FINAL DEL PERIODO NORMAL DE SERVICIO (SIN ELCE )

TUBOS AL FINAL DE LA CORRIDA DE PRUEBA (274 DÍAS EN SERVICIO)

TUBOS LIMPIOS AL COMIENZO DE LA CORRIDA DE PRUEBA

Arak Oil Refining Co. – NIORDC , I. R. Iran Agosto 9, 2003

Resultados Finales de la Corrida de Prueba : El periodo de prueba (274 días) con un sistema ELCE-S2 muestra un 52% de incremento al periodo normal promedio (180 días) . Como resultado, los costos de mantenimiento y de salida de servicio en este caso, será disminuido cerca del 52% y con el sistema completamente a flujo, ¡estos podrán ser totalmente evitados ! El porciento de consumo de vapor LP por apertura de la TV-40004 fue monitoreado en el periodo de la corrida de prueba. La estimación del ahorro de vapor con el sistema ELCE-S2 es de alrededor de 1750 Ton/año (8870 $/año) y con un sistema completamente a flujo, ¡Éste puede ser de alrededor de 15000 ton/año ( 76000 $/año) ! (MAS DEL 100% DE AHORRO DE ENERGÍA)

La aplicación de la tecnología ELCE en sistemas de evacuación de calor que emplean el proceso evaporativo del agua en torres de enfriamiento y condensadores evaporativos, ha probado ser el método más ampliamente empleado en el mundo por las siguientes razones:

El activador de agua ELCE esta propiamente integrado al condensador evaporativo y emplea la misma bomba de enfriamiento para producir sus positivos resultados. No existen requerimientos de proveer algún espacio adicional para una bomba extra de recirculación u otra facilidad de tratamiento de agua.

La activación ELCE es capaz de asegurar la capacidad óptima de transferencia de calor de los condensadores. Los costos energéticos son significativamente reducidos y los costos de mantenimiento son llevados al mínimo.

La instalación de ELCE en torres de enfriamiento usando condensadores, puede ser diseñada como un sistema independiente o acoplado con el sistema de recirculación de agua existente. Esto significa, que activadores más pequeños y compactos, pueden satisfacer los requerimientos exigidos para un esquema efectivo de recirculación.

La concentración de sólidos totales en torres de enfriamiento puede alcanzar hasta 1500 mg/l. El sistema ELCE puede alcanzar ahorros de consumo de agua entre un 40 y un 60 porciento.

Cuando la tecnología ELCE es aplicada en sistemas de refrigeración, es necesario establecer un balance correcto entre el flujo de la purga y el de la reposición con el objetivo que se mantenga el nivel adecuado de sólidos disueltos en el agua de enfriamiento.

Gwd = Gwe Donde: Gwd = Volumen de agua de purga en la unidad de tiempo. Gwe = Volumen de agua evaporado en la unidad de tiempo.

Una válvula de balance de caudales, que asegura el flujo adecuado a través del equipo de enfriamiento, controla el proceso de activación del agua mediante una simple y directa medición del flujo. El flujo de agua puede ser visualizado instantáneamente y controlado manualmente. Una vez establecido el flujo apropiado, no se requiere de otras mediciones o controles.

Las siguientes diapositivas muestran cómo los activadores de agua ELCE son típicamente instalados en torres de enfriamiento y condensadores evaporativos.

Un activador de agua ELCE instalado en una torre de enfriamiento con control directo o indirecto de flujo.

Un activador de agua ELCE instalado en un condensador evaporativo con control directo de flujo.

Un activador de agua ELCE instalado en un condensador evaporativo con control indirecto de flujo.

Prevención de la Corrosión por ELCE

El activador de agua ELCE posee la facultad de remover los depósitos de incrustaciones y prevenir posteriores formaciones de incrustaciones. El agua activada es también capaz de prevenir la corrosión de superficies con las que está en contacto.

En adición, para prevenir permanentemente la formación de incrustaciones sobre la superficie de equipos y tuberías, ELCE también previene la corrosión por efecto de Evans (La deposición de sedimentos sobre superficies metálicas crea una zona corrosiva, justo debajo del depósito. Este efecto se debe a la ausencia de oxígeno disuelto en el agua de abasto). ELCE también puede reducir el desarrollo de la corrosión galvánica(el agua activada detiene la corriente galvánica y previene la corrosión, o reduce significativamente la velocidad de las corrientes galvánicas).

Una vez que el agua activada haya removido los depósitos de incrustaciones existentes, ésta crea un proceso de oxidación-reducción dentro de la estructura metálica. La ecuación de Fenton explica el cambio en la oxidación del hierro de Fe2+ a Fe3+:

H2O2 + Fe2+

Fe3+ + OH- + •OH

El proceso de oxidación no se detiene en esta fase. El constante flujo de electrones, producido por la actividad de la cerámica, inicia la reacción, la cual comienza a 100 Cº y finaliza a los 200 Cº. La oxidación puede ocurrir a temperatura ambiente convirtiendo Fe2+ a magnetita. La magnetita ofrece una barrera altamente resistente a la corrosión, ayudando a proteger a las superficies metálicas usualmente expuestas a los efectos de la corrosión de las aguas no tratadas.

3 Fe (OH)2

Fe3 O4 + H2 + 2 H2O

FIN Gracias Octubre 31, 2004