Intercambiador de calor especial para planta de tratamiento cloacal más eficiente

El intercambiador de calor mantiene a los sistemas de aguas residuales funcionando de manera segura y permite la recuperación de calor del flujo de las aguas residuales.

Transferencia de calor de las aguas residuales al agua del proceso

Muchas empresas necesitan agua de proceso caliente en sus procesos de producción. Un sistema innovador de DAS Experto Ambiental S.R.L. en Dresde (Alemania) ahora permite la transferencia de calor desde las aguas residuales hasta el agua del proceso. Esto ayuda a optimizar las temperaturas de los flujos de agua, lo que aumenta en gran medida la eficacia con respecto al uso de energía y al tratamiento de aguas residuales. 

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Diseño de intercambiador de calor para el tratamiento eficaz de aguas residuales por DAS Experto Ambiental
Diseño de intercambiador de calor para el tratamiento de aguas residuales

Intercambiador de calor autolimpiante con sistema optimizado de cepillos

Schumacher Packaging GmbH experimentó con este tipo de intercambiador de calor en su planta de Schwarzenberg. La empresa mediana, dirigida por su dueño, se especializa en soluciones de embalaje a medida con cartón corrugado y compacto.

Schumacher Packaging GmbH produce cartón en Schwarzenberg, en las montañas de Ore, en Alemania. Su operación consiste en reprocesar el papel usado. El proceso requiere una gran cantidad de agua, que se extrae del río Grosse Mittweida. En invierno, el agua entrante es relativamente fría, de aproximadamente 5 °C. Ésta experimenta un proceso de limpieza preliminar y luego se debe aumentar su temperatura con fuentes de calor externas.

En la actualidad, Schumacher Packaging GmbH ha aumentado la capacidad de la máquina de papel. Esto ocasionó un aumento en la temperatura del proceso a hasta 55 grados centígrados, que es demasiado alta para el tratamiento biológico de aguas residuales. Los microorganismos mueren si el agua está demasiado caliente. El resultado: la planta de tratamiento de cloacas ya no funcionaría a estas temperaturas. Para evitar daños al río, se estableció un límite oficial de temperatura máxima de 30 grados centígrados para descargar las aguas residuales.

Es por esto que Schumacher Packaging GmbH buscaba una solución sofisticada para enfriar las aguas residuales, a fin de asegurar el funcionamiento continuo y seguro del sistema de tratamiento biológico de aguas residuales y permitir que se use la energía térmica recuperada para precalentar el agua fría del río.

Transferencia de calor con mínima pérdida de presión y mantenimiento económico

Las condiciones para el uso del intercambiador de calor en las premisas de los clientes eran bastante exigentes:

  • Tenía que adaptarse a la tubería por gravedad existente con una mínima pérdida de presión y
  • No ser propenso a la acumulación de suciedad y los atascos → bajo mantenimiento

Por lo tanto, los diseños del intercambiador de calor convencional no eran adecuados para este caso en particular.

Formas de construcción de los intercambiadores de calor convencionales

Desde hace décadas, los intercambiadores de calor convencionales han sido exitosos y de uso eficaz para aplicaciones en diferentes campos. Sin embargo, en la actualidad, no se han identificado soluciones técnicas satisfactorias en el sector de las aguas residuales. En contacto con las aguas residuales reales, las superficies de transferencia se ensucian relativamente rápido, lo que lleva a la creación de una biopelícula que crece rápidamente si el equipo no se limpia con regularidad.

Este proceso se llama acumulación de suciedad y produce una reducción en el rendimiento de la transferencia de calor y, por lo tanto, un deterioro drástico en el nivel de efectividad del sistema. Por consiguiente, con el equipo estándar, las superficies de transferencia se deben limpiar con un proceso complejo de limpieza in situ (CIP, en inglés), o al aire libre —en el caso de los intercambiadores de calor de placas—. Incluso es posible su desmantelación para realizar una limpieza exhaustiva.

El resultado de los procesos mecánicos es frecuentemente menor que la limpieza adecuada. La razón de este mal resultado es, por ejemplo, que el chorro de agua no puede llegar a las áreas que debería en el curso de la limpieza interna a alta presión, especialmente cuando se trata de intercambiadores de calor de mayores dimensiones.

Intercambiador de calor con limpieza automática constante para evitar el deterioro en la operación, incluso
Intercambiador de calor con limpieza automática constante para evitar el deterioro en la operación, incluso

Intercambiadores de calor autolimpiantes para aguas residuales

La solución identificada por Schumacher Packaging se basa en un intercambiador de calor con un sistema de cepillos giratorios y lo que se denomina termoplacas. Esto minimiza la acumulación de suciedad y optimiza el rendimiento de la transferencia de calor. Los cepillos giratorios no solo aseguran que las superficies de transferencia de calor se mantengan limpias siempre, sino que también propician una alta velocidad del flujo y, con esto, un nivel de transferencia de calor más alto.

El movimiento giratorio de los cepillos también ocasiona que la circulación de las aguas residuales siga una trayectoria en espiral. Esto produce el efecto de un intercambiador de calor a contracorriente. Este principio de construcción permite la instalación en la descarga de las plantas de tratamiento de cloacas existentes sin necesidad de usar bombas adicionales para aumentar la presión. La medición exhaustiva y el equipo de regulación también se consideran innecesarios. 



Representación en 3D del intercambiador de calor de aguas residuales de DAS Experto Ambiental
Representación en H3D del intercambiador de calor de aguas residuales

El principio según el cual funciona el intercambiador de calor de aguas residuales

El agua (limpia) de enfriamiento se distribuye uniformemente por todas las termoplacas y fluye una vez dentro de estas placas hacia el intercambiador de calor, siguiendo una trayectoria en forma de anillo. Las termoplacas disponen de dos placas intercambiadoras de calor de metal unidas completamente en los bordes y a través de puntos de soldadura en el área plana. Las placas de metal soldadas de esta manera se expanden a continuación hidráulicamente y se proveen con puntos de conexión para la entrada y salida del agua de enfriamiento.

Para permitir la limpieza permanente por medio de un sistema de cepillos giratorios, a estas termoplacas se les debe dar forma de anillo. Una serie de anillos de diámetro en aumento se insertan uno dentro de otro y se conectan a un contenedor. La termoplaca más alejada funciona además como pared externa del contenedor.

Las aguas residuales sucias se llevan al intercambiador de calor desde abajo y fluyen hacia arriba entre las termoplacas y hasta el contenedor, para ser canalizadas hacia afuera en la parte superior. El movimiento giratorio de los cepillos también ocasiona que la circulación de las aguas residuales siga una trayectoria en espiral (intercambiador de calor en espiral). Esto produce el efecto de un intercambiador de calor a contracorriente.

Distribución de la instalación del sistema de tratamiento de aguas residuales en Schumacher Packaging en Schwarzenberg

En el caso de Schumacher Packaging, había dos intercambiadores de calor instalados. Se pueden operar individualmente, en serie o en paralelo; por lo tanto, se garantiza un alto grado de flexibilidad en la operación del sistema. Esto es importante ya que si las aguas residuales están muy frías, también tendrá un efecto perjudicial en el metabolismo de los microorganismos del sistema del tratamiento biológico de aguas residuales.

Datos sobre el rendimiento para los intercambiadores de calor instalados

Salida de calor1MW
Caudal (de las aguas residuales)65m3/h
Caudal (agua de enfriamiento)55m3/h
Pérdida de presión (aguas residuales)0,01bar
Pérdida de presión (agua de enfriamiento)0,40bar

Los intercambiadores de calor han sido diseñados para una presión de funcionamiento permisible de 10 bares en el lado del agua de enfriamiento. Están fabricados en acero inoxidable 1.4404. En este sentido, existe una gran variedad de otros materiales disponibles, por lo que se puede seleccionar el adecuado según el caso y la composición específica de las aguas residuales. La forma de construcción de estos intercambiadores de calor varía mucho y es adecuada para una gran cantidad de aplicaciones. Para los canales de ángulo recto, las termoplacas rectas se amalgaman en paquetes y se pueden proporcionar como autolimpiantes o individualmente extraíbles, según se desee.

Todas las variantes de diseño también se pueden suspender en los contenedores existentes; por lo tanto, se reduce considerablemente el espacio requerido para la instalación y para las tuberías. Los intercambiadores de calor suspendidos libremente están diseñados sin base cerrada y funcionan como un proceso de circulación ascendente o descendente.

Ventajas ante los intercambiadores de calor convencionales

  • Autolimpieza permanente
  • Adecuados para las aguas residuales que contienen sólidos
  • Bajo nivel de pérdida de presión
  • Inspección sencilla 
  • Altos índices de turbulencia debido a los cepillos giratorios, que ocasiona una buena transferencia de calor

Aplicaciones/sectores

Estos intercambiadores de calor ya están en uso en los siguientes sectores y campos:

  • Industria del papel
  • Industria textil
  • Lavanderías
  • Piletas de natación públicas
  • Industria petroquímica
  • Recuperación de calor de biomasa o lodo

Ventajas adicionales del uso de estos intercambiadores de calor

Aparte del efecto de ahorro de energía derivado de la recuperación directa de calor, el uso de intercambiadores de calor de este tipo abre nuevas posibilidades para el dimensionamiento y la operación de la tecnología de aguas residuales.

Calentamiento de aguas residuales para reactores anaerobios

El primer punto de vista a aclarar en este sentido es la posibilidad de usar reactores anaerobios que se operan convenientemente a una temperatura entre 35 y 38 °C. Las etapas biológicas anaerobias se caracterizan por el hecho de que los materiales nocivos se desintegran ante la ausencia del suministro de oxígeno.

Si las aguas residuales en cuestión no se encuentran a la temperatura requerida, entonces con una inteligente combinación de recuperación de calor en la salida y el precalentamiento simultáneo de las aguas residuales que están por debajo de la temperatura deseada, con solo una mínima inversión de energía, es posible mantener la temperatura óptima para el reactor anaerobio.

El tratamiento anaerobio de aguas residuales es particularmente adecuado para las aguas residuales industriales altamente contaminadas. Las ventajas frente a los procesos aerobios —es decir, llevados a cabo con la ayuda de oxígeno— son, particularmente, la importante reducción del uso de electricidad, la menor cantidad de materiales residuales generados (exceso de lodo), los altos niveles de producción total y por lo tanto los diseños compactos de construcción y, finalmente, la generación de biogás.

Una proporción del biogás se puede usar para mantener la temperatura de funcionamiento óptima en el reactor anaerobio. La mayor parte de este biogás se puede usar tanto para el calentamiento como para la conversión a electricidad en centrales termoeléctricas en bloque.

Rendimiento mejorado para la tecnología aerobia de aguas residuales

La rápida disminución del rendimiento y los altos costos de mantenimiento asociados a ello.

Equipo de bombeo adicional para compensar la pérdida de presión.

Este último punto es de particular importancia, ya que en la salida de descarga de muchas plantas de tratamiento de cloacas (tanto industriales como comunales), la diferencia de altura entre la descarga del sistema de tratamiento de aguas residuales y el nivel de la superficie de la desembocadura es muy leve.

La instalación de estas bombas adicionales habría podido reducir considerablemente (o incluso anular) el efecto positivo de mejorar la eficacia energética de la recuperación de calor. La presión perdida con los intercambiadores de calor convencionales es ocasionada por los altos caudales requeridos para el funcionamiento eficaz. Al mismo tiempo, los canales de flujo se mantienen lo más pequeños posible, a fin de lograr un gran nivel de transferencia de calor. Esto, a su vez, lleva a un atascamiento más rápido e incluso a pérdidas mayores de presión. Los valores normales de pérdida de presión se hallan alrededor de 0,5 bares a 1,0 bar —que corresponden a 5 a 10 metros en términos de presión diferencial—.

Es en este punto en el que el sistema de intercambiadores de calor autolimpiantes presentado destaca en mayor medida sobre los otros sistemas. El valor típico para la pérdida de presión es de alrededor de 0,01 bar —que corresponde a una presión diferencial de 0,1 metro—.

Adecuado para las aguas residuales que contienen sólidos

En resumen, se puede decir que estos intercambiadores de calor representan una solución de aumento de la eficacia para las aguas residuales que contienen sólidos, donde las aguas residuales son demasiado frías o demasiado calientes o si el sistema de tratamiento de cloacas no está funcionando de forma eficaz.

En el caso de Schumacher Packaging GmbH, la instalación del intercambiador de calor produjo un ahorro del 40% del volumen de gas natural que consumía anteriormente. Esto hizo que la inversión se pagara sola en el primer año.

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