El intercambiador de calor E-Plate permite un funcionamiento más eficiente de las plantas de tratamiento de efluentes

El intercambiador de aguas residuales garantiza el funcionamiento seguro de una planta de tratamiento de aguas residuales y le permite recuperar el calor del flujo proveniente de las aguas residuales. El intercambiador de calor E-Plate ofrece muchas ventajas frente a los sistemas convencionales y aporta una solución muy eficiente para aguas residuales altamente contaminadas.

Transferencia de calor de las aguas residuales a las aguas de proceso

Muchas empresas necesitan agua de proceso caliente en sus procesos de producción. Con el sistema innovador de DAS EE ahora es posible la transferencia de calor desde las aguas residuales hasta el agua de proceso.

Esto ayuda a optimizar las temperaturas de los flujos de agua, lo que aumenta considerablemente la eficiencia en el uso de la energía y también en el tratamiento de aguas residuales.

Intercambiador de calor en la industria del papel

Schumacher Packaging GmbH experimentó con este tipo de intercambiadores de calor en su planta de Schwarzenberg. La empresa se especializa en soluciones de embalaje a medida en cartón corrugado y compacto.

Schumacher Packaging GmbH produce cartón en Schwarzenberg, en las montañas de Ore, en Alemania. Su trabajo consiste en reprocesar papel usado. Para este proceso se requiere gran cantidad de agua, que se extrae del río Große Mittweida. En invierno, el agua entrante es relativamente fría, aproximadamente de 5°C. Esta se sometida a un proceso previo de limpieza y luego se debe aumentar su temperatura con fuentes de calor externas.

La empresa Schumacher Packaging GmbH amplió en 2013 la capacidad de la máquina de papel. Esto generó también un aumento de la temperatura de hasta 55°C – que es demasiado alta para el tratamiento biológico de aguas residuales, ya que los microorganismos mueren, cuando el agua está demasiado caliente. El resultado: la planta de tratamiento ya no funcionaría a esas temperaturas. Otra restricción es la temperatura límite establecida por las autoridades de 30°C para la descarga directa de aguas residuales.

Por ello, Schumacher Packaging GmbH buscaba una solución ingeniosa para enfriar las aguas residuales, a fin poder asegurar el funcionamiento del sistema de tratamiento biológico de aguas residuales, y al mismo tiempo usar la energía térmica recuperada para precalentar el agua fría del río.

DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging
DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging

Transferencia de calor con mínima perdida de presión y bajos costos de mantenimiento

Las condiciones que deben cumplir los clientes para el uso del intercambiador de calor eran muy exigentes:

  • Integración a la tubería por gravedad existente con mínima pérdida de presión
  • Reducida propensión a la acumulación de suciedad y los atascos → bajo  mantenimiento

 

Es por ello, que los diseños de intercambiadores de calor convencionales 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 fueron utilizados de manera exitosa y eficaz en diferentes campos de aplicación. Sin embargo, hasta ahora, no se han identificado soluciones técnicas satisfactorias en el sector de las aguas residuales. En contacto con las aguas residuales, las superficies de transferencia se ensucian con relativa rapidez, lo que lleva a la creación de una biopelícula que crece rápidamente si el equipo no se limpia con regularidad.

Este proceso se llama biocorrosión 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 ser desmanteladas para su posterior limpieza exhaustiva.

El resultado que se obtiene con procesos mecánicos de limpieza es con frecuencia insuficiente. La razón de este mal resultado es, por ejemplo, el poco alcance que tiene el chorro de agua para realizar la limpieza interna a alta presión, especialmente cuando se trata de intercambiadores de calor de mayores dimensiones.

E-Plate Wärmetauscher

Intercambiadores de calor autolimpiantes para aguas residuales

La solución hallada por Schumacher Packaging se basa en un intercambiador de calor con un sistema de cepillos giratorios y las denominadas 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 siempre limpias, sino que también propician una alta velocidad del flujo y, con ello, un nivel de transferencia de calor más alto.

El movimiento giratorio de los cepillos también hace 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 fluentes existentes sin necesidad de usar bombas adicionales para aumentar la presión. Tampoco se requiere para ello de una costosa tecnología de medición y regulación.

Principio de funcionamiento del intercambiador de calor E-Plate

El agua (limpia) de enfriamiento se distribuye uniformemente por todas las termoplacas y fluye en forma de anillo dentro de estas placas una vez por el intercambiador de calor. Las termoplacas están compuestas por 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 mediante 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 externa funciona además como pared externa del contenedor.

Las aguas residuales sucias son conducidas al intercambiador de calor desde abajo y fluyen hacia arriba entre las termoplacas hasta el tanque, para ser descargadas hacia afuera en la parte superior. El movimiento giratorio de los cepillos también genera 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.

Instalación de un sistema de tratamiento de aguas residuales en Schumacher Packaging en Schwarzenberg

En el caso de Schumacher Packaging se instalaron dos intercambiadores de calor. Se pueden operar individualmente, en serie o en paralelo. Así se garantiza un alto grado de flexibilidad en el funcionamiento del sistema. Esto es importante, ya que, si las aguas residuales están muy frías, entonces se vería afectado también el metabolismo de los microorganismos del sistema del tratamiento biológico de aguas residuales.

Datos sobre el rendimiento de los intercambiadores de calor instalados

KategoryOutput
Potencia térmica1 MW
Caudal de las aguas residuales65 m3/h
Caudal de las aguas de enfriamiento55 m3/h
Perdida de presión (aguas residuales)0,01 bar
Pérdida de presión (aguas de enfriamiento)0,40 bar
3D Darstellung des Abwasserwärmetauschers

Datos sobre el rendimiento de los intercambiadores de calor instalados

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 se adecúa 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 en comparación con intercambiadores de calor convencionales:

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

Estos intercambiadores de calor ya se utilizan en los siguientes sectores e industrias:

Ventajas adicionales de uso del intercambiador de calor

Además 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 funcionamiento de la tecnología de efluentes.

Calentamiento de aguas residuales para reactores anaerobios

En primer lugar cabe señalar la posibilidad de usar reactores anaerobios que funcionan 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 combinación inteligente de recuperación de calor en la salida y el precalentamiento simultáneo de las aguas residuales muy frías, con solo un consumo mínimo de energía, es posible mantener la temperatura óptima para el reactor anaerobio.

El tratamiento anaerobio está especialmente indicado para aguas residuales industriales con alta carga contaminante. Las ventajas frente a los aerobios, es decir, los procesos que funcionan con ayuda de oxígeno, son la reducida demanda de energía, la menor cantidad de residuos formados (exceso de lodos), el alto rendimiento logrado y las formas de construcción compactas además de la generación de biogás.

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

Rendimiento mejorado para la tecnología aerobia de aguas residuales

Incluso en las fases biológicas aeróbicas puede lograrse una temperatura de funcionamiento óptimo intercalando un intercambiador de calor. De este modo se puede aumentar el rendimiento de instalaciones existentes. En el caso de construcciones nuevas de plantas de tratamiento biológico de aguas residuales pueden tener un tamaño más reducido y compacto.

La eficiencia energética es también un aspecto muy importante para las plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas. Es por ello, que desde hace ya algún tiempo se intenta recuperar calor de las aguas residuales. Muchos son los factores que hasta ahora han frenado una implementación técnica a gran escala.

  • Rápida formación de capas sobre las superficies de transferencia.
  • Rápida disminución del rendimiento y altos costos de mantenimiento asociado 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 efluentes (tanto industriales como domésticas), 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.

Sistema adicional de tratamiento de aguas residuales es en gran medida innecesaria

La instalación de estas bombas adicionales podría reducir considerablemente (o incluso anular) el efecto positivo de mejorar la eficacia energética por la recuperación de calor. La presión perdida con los intercambiadores de calor convencionales es ocasionada por los altos caudales requeridos para un funcionamiento eficaz. Al mismo tiempo, los canales de flujo se mantienen lo más pequeños posible, a fin de lograr un alto 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 precisamente en este punto  que el sistema de intercambiadores de calor autolimpiantes presentado se diferencia significativamente de 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 aguas residuales que contienen sólidos

En resumen, se puede decir que estos intercambiadores de calor representan una solución de mayor 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 efluentes 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 gas natural que consumía anteriormente. Esto hizo que la inversión se amortizara en el primer año.

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