Abordaje

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La incrustación es la acumulación de material no deseado en superficies sólidas. Los materiales que producen incrustaciones pueden ser organismos vivos ( incrustaciones biológicas , orgánicas) o sustancias no vivas (inorgánicas). La incrustación se suele distinguir de otros fenómenos de crecimiento superficial en que se produce en la superficie de un componente, sistema o planta que realiza una función definida y útil y que el proceso de incrustación impide o interfiere con esta función.

Otros términos utilizados en la literatura para describir el ensuciamiento incluyen formación de depósitos, incrustación, ensuciamiento, deposición, incrustación, formación de incrustaciones, escoria y formación de lodos. Los últimos seis términos tienen un significado más limitado que el de ensuciamiento dentro del ámbito de la ciencia y la tecnología del ensuciamiento, y también tienen significados fuera de este ámbito; por lo tanto, deben usarse con precaución.

Los fenómenos de incrustaciones son comunes y diversos, y van desde la incrustación en cascos de barcos, superficies naturales en el ambiente marino ( marine fouling ), la incrustación en componentes de transferencia de calor a través de ingredientes contenidos en agua o gases de refrigeración, e incluso el desarrollo de placa o sarro en los dientes o depósitos en paneles solares en Marte, entre otros ejemplos.

Este artículo está dedicado principalmente a la incrustación en los intercambiadores de calor industriales, aunque la misma teoría es generalmente aplicable a otras variedades de incrustaciones. En la tecnología de refrigeración y otros campos técnicos, se hace una distinción entre incrustaciones macro y micro. De las dos, las microincrustaciones son las que suelen ser más difíciles de prevenir y, por lo tanto, las más importantes.

Ejemplos de componentes que pueden estar sujetos a incrustaciones y los efectos correspondientes de las incrustaciones:

• Superficies del intercambiador de calor : reduce la eficiencia térmica , disminuye el flujo de calor, aumenta la temperatura en el lado caliente, disminuye la temperatura en el lado frío, induce corrosión debajo del depósito, aumenta el uso de agua de enfriamiento;
• Tuberías, canales de flujo: reducen el flujo, aumentan la caída de presión, aumentan la presión aguas arriba, aumentan el gasto de energía, pueden causar oscilaciones de flujo, atascos en el flujo bifásico, cavitación; pueden aumentar la velocidad del flujo en otros lugares, pueden inducir vibraciones, pueden causar bloqueo del flujo; ^[1]
• Cascos de barcos: crean resistencia adicional , aumentan el consumo de combustible y reducen la velocidad máxima; ^[2]
• Turbinas : reducen la eficiencia y aumentan la probabilidad de falla;
• Paneles solares: disminuyen la energía eléctrica generada;
• Membranas de ósmosis inversa : aumenta la caída de presión, aumenta el gasto de energía, reduce el flujo, falla de la membrana (en casos graves); ^[3]
• Elementos calefactores eléctricos : aumentan la temperatura del elemento, aumentan la corrosión y reducen la vida útil;
• Cañones de armas de fuego : aumentan la presión de la recámara; dificultan la carga de los rifles de avancarga
• Combustible nuclear en reactores de agua a presión : anomalía de desplazamiento axial, ^[4] puede ser necesario reducir la potencia de la planta de energía;
• Boquillas de inyección/pulverización (por ejemplo, una boquilla que pulveriza combustible en un horno): cantidad incorrecta inyectada, chorro malformado, ineficiencia del componente, falla del componente;
• Tubos Venturi , placas de orificio : medición inexacta o incorrecta del caudal;
• Tubos de Pitot en aviones: indicación inexacta o incorrecta de la velocidad del avión;
• Electrodos de bujías en automóviles: fallos en el encendido del motor; ^[5]
• Zona de producción de yacimientos de petróleo y pozos petrolíferos : disminución de la producción de petróleo con el tiempo; taponamiento; en algunos casos, detención total del flujo en cuestión de días; ^[6]
• Dientes: promueve enfermedades de los dientes o de las encías, disminuye la estética;
• Organismos vivos: la deposición de exceso de minerales (por ejemplo, calcio, hierro, cobre) en los tejidos está vinculada (a veces de manera controvertida) con el envejecimiento / senescencia .

Las macroincrustaciones son causadas por materia gruesa de origen biológico o inorgánico, por ejemplo, desechos producidos industrialmente . Dicha materia ingresa al circuito de agua de refrigeración a través de las bombas de agua de refrigeración desde fuentes como el mar abierto , ríos o lagos . En circuitos cerrados, como las torres de refrigeración , la entrada de macroincrustaciones en el depósito de la torre de refrigeración es posible a través de canales abiertos o por el viento. A veces, partes de los componentes internos de la torre de refrigeración se desprenden y son transportadas al circuito de agua de refrigeración. Estas sustancias pueden ensuciar las superficies de los intercambiadores de calor y pueden causar el deterioro del coeficiente de transferencia de calor relevante . También pueden crear bloqueos de flujo, redistribuir el flujo dentro de los componentes o causar daños por frotamiento .

Ejemplos

• Residuos artificiales;
• Partes internas desprendidas de componentes;
• Herramientas y otros "objetos extraños" olvidados accidentalmente después del mantenimiento;
• Algas ;
• Mejillones ;
• Hojas , partes de plantas hasta troncos enteros .

En cuanto a la microincrustación, se hacen distinciones entre: ^[7]

• Incrustaciones o incrustaciones por precipitación, como cristalización de sales sólidas , óxidos e hidróxidos de soluciones acuosas (por ejemplo, carbonato de calcio o sulfato de calcio)
• Ensuciamiento por partículas , es decir, acumulación de partículas, típicamente partículas coloidales , en una superficie.
• Incrustaciones por corrosión, es decir, crecimiento in situ de depósitos de corrosión , por ejemplo, magnetita en superficies de acero al carbono.
• Ensuciamiento por reacción química, por ejemplo, descomposición o polimerización de materia orgánica en superficies de calentamiento.
• Ensuciamiento por solidificación: cuando los componentes del fluido que fluye con un alto punto de fusión se congelan sobre una superficie subenfriada
• Bioincrustaciones , como asentamientos de bacterias y algas.
• Ensuciamiento compuesto, en el que el ensuciamiento involucra más de un ensuciador o mecanismo de ensuciamiento

La incrustación o ensuciamiento por precipitación implica la cristalización de sales sólidas , óxidos e hidróxidos de soluciones . Estas suelen ser soluciones acuosas, pero también se conoce el ensuciamiento por precipitación no acuosa. El ensuciamiento por precipitación es un problema muy común en calderas e intercambiadores de calor que funcionan con agua dura y a menudo da lugar a incrustaciones de cal .

Por cambios de temperatura, o por evaporación o desgasificación de disolventes , la concentración de sales puede superar la saturación , dando lugar a una precipitación de sólidos (normalmente cristales).

A modo de ejemplo, el equilibrio entre el bicarbonato de calcio , fácilmente soluble -siempre presente en el agua natural- y el carbonato de calcio, poco soluble , se puede escribir la siguiente ecuación química:

${\displaystyle {\ce {\mathsf {{Ca(HCO3)2}_{(aqueous)}->{CaCO3(v)}+{CO2}\!{\uparrow }+H2O}}}}$

El carbonato de calcio que se forma mediante esta reacción precipita. Debido a la dependencia de la temperatura de la reacción y a la creciente volatilidad del CO2 _con el aumento de la temperatura, la formación de incrustaciones es mayor en la salida más caliente del intercambiador de calor que en la entrada más fría.

En general, la dependencia de la solubilidad de la sal con respecto a la temperatura o la presencia de evaporación será a menudo la fuerza impulsora de la incrustación por precipitación. La distinción importante es entre sales con una dependencia "normal" o "retrógrada" de la solubilidad con respecto a la temperatura. Las sales con una solubilidad "normal" aumentan su solubilidad con el aumento de la temperatura y, por lo tanto, ensuciarán las superficies de enfriamiento. Las sales con una solubilidad "inversa" o "retrógrada" ensuciarán las superficies de calentamiento. En la figura se muestra un ejemplo de la dependencia de la solubilidad con respecto a la temperatura. El sulfato de calcio es un ensuciador de precipitación común en las superficies de calentamiento debido a su solubilidad retrógrada.

El ensuciamiento por precipitación también puede ocurrir en ausencia de calentamiento o vaporización. Por ejemplo, el sulfato de calcio disminuye su solubilidad al disminuir la presión. Esto puede conducir al ensuciamiento por precipitación de yacimientos y pozos en campos petrolíferos, disminuyendo su productividad con el tiempo. ^[8] El ensuciamiento de las membranas en sistemas de ósmosis inversa puede ocurrir debido a la solubilidad diferencial del sulfato de bario en soluciones de diferente fuerza iónica . ^[3] De manera similar, el ensuciamiento por precipitación puede ocurrir debido a cambios de solubilidad inducidos por otros factores, por ejemplo, evaporación instantánea de líquidos , desgasificación de líquidos, cambios en el potencial redox o mezcla de corrientes de fluidos incompatibles.

A continuación se enumeran algunas de las fases industriales más comunes de los depósitos de suciedad por precipitación que se observan en la práctica y que se forman a partir de soluciones acuosas:

• Carbonato de calcio ( calcita , aragonito generalmente a t > ~50 °C, o raramente vaterita );
• Sulfato de calcio ( anhidrita , hemihidrato , yeso );
• oxalato de calcio (p. ej., beerstone);
• Sulfato de bario ( barita );
• Hidróxido de magnesio ( brucita ); óxido de magnesio ( periclasa );
• Silicatos ( serpentina , acmita , girolita , gehlenita , sílice amorfa , cuarzo , cristobalita , pectolita , xonotlita );
• Hidróxidos de óxido de aluminio ( boehmita , gibbsita , diáspora , corindón );
• Aluminosilicatos ( analcita , cancrinita , noselita );
• Cobre ( cobre metálico , cuprita , tenorita );
• Fosfatos ( hidroxiapatita );
• Magnetita o ferrita de níquel (NiFe ₂ O ₄ ) a partir de agua extremadamente pura y con bajo contenido de hierro. ^[9]

La tasa de deposición por precipitación se describe a menudo mediante las siguientes ecuaciones:

Transporte: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{t}(C_{b}-C_{i})}$

Cristalización superficial: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{r}}(C_{i}-C_{e})^{n_{1}}}$

En general: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{d}(C_{b}-C_{e})^{n_{2}}}$

dónde:

${\displaystyle m}$- masa del material (por unidad de superficie), kg/ ^m2

${\displaystyle t}$- tiempo, s

${\displaystyle C_{b}}$- concentración de la sustancia en la masa del fluido, kg/ ^m3

${\displaystyle C_{i}}$- concentración de la sustancia en la interfase, kg/ ^m3

${\displaystyle C_{e}}$- concentración de equilibrio de la sustancia en las condiciones de la interfase, kg/m ³

${\displaystyle n_{1},n_{2}}$- orden de reacción para la reacción de cristalización y el proceso de deposición general, respectivamente, adimensional

${\displaystyle k_{t},k_{r},k_{d}}$- constantes de velocidad cinética para el transporte, la reacción superficial y la reacción de deposición general, respectivamente; con la dimensión de m/s (cuando )${\displaystyle n_{1}=n_{2}=1}$

La formación de incrustaciones por partículas suspendidas en el agua (" crud ") o en el gas se produce por un mecanismo diferente al de la formación de incrustaciones por precipitación. Este proceso suele ser más importante para las partículas coloidales , es decir, partículas más pequeñas que aproximadamente 1 μm en al menos una dimensión (pero que son mucho más grandes que las dimensiones atómicas). Las partículas son transportadas a la superficie por una serie de mecanismos y allí pueden adherirse, por ejemplo, por floculación o coagulación . Nótese que la adhesión de partículas coloidales normalmente implica fuerzas eléctricas y, por lo tanto, el comportamiento de las partículas desafía la experiencia del mundo macroscópico. La probabilidad de adhesión a veces se denomina " probabilidad de adherencia " : ^[7]${\displaystyle P}$

${\displaystyle k_{d}=Pk_{t}}$

donde y son las constantes de velocidad cinética para la deposición y el transporte, respectivamente. El valor de para las partículas coloidales es una función tanto de la química de la superficie, la geometría y las condiciones termohidráulicas locales.${\displaystyle k_{d}}$${\displaystyle k_{t}}$${\displaystyle P}$

Una alternativa al uso de la probabilidad de adherencia es utilizar una constante de velocidad de adherencia cinética, asumiendo la reacción de primer orden: ^{[10] [11]}

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{a}}C_{i}}$

y luego los coeficientes cinéticos de transporte y unión se combinan como dos procesos que ocurren en serie:

${\displaystyle k_{d}=\left({\frac {1}{k_{a}}}+{\frac {1}{k_{t}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{d}}C_{b}}$

dónde:

• ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}}$es la velocidad de deposición de partículas, kg m ⁻² s ⁻¹ ,
• ${\displaystyle k_{a},k_{t},k_{d}}$son las constantes de velocidad cinética para la deposición, m/s,
• ${\displaystyle C_{i}}$y son la concentración de partículas contaminantes en la interfaz y en el fluido a granel, respectivamente; kg m ⁻³ .${\displaystyle C_{b}}$

Al ser esencialmente un fenómeno de química de superficie , este mecanismo de ensuciamiento puede ser muy sensible a factores que afectan la estabilidad coloidal, por ejemplo, el potencial zeta . Generalmente, se observa una tasa máxima de ensuciamiento cuando las partículas contaminantes y el sustrato presentan una carga eléctrica opuesta o cerca del punto de carga cero de cualquiera de ellas.

Las partículas más grandes que las de dimensiones coloidales también pueden ensuciarse, por ejemplo, por sedimentación ("ensuciamiento por sedimentación") o por filtración en aberturas de tamaño pequeño.

Con el tiempo, el depósito superficial resultante puede endurecerse a través de procesos conocidos colectivamente como "consolidación de depósitos" o, coloquialmente, "envejecimiento".

Los depósitos de suciedad particulada comunes formados a partir de suspensiones acuosas incluyen:

• óxidos de hierro y oxihidróxidos de hierro ( magnetita , hematita , lepidocrocita , maghemita , goethita );
• Contaminación por sedimentación causada por limo y otras materias suspendidas relativamente gruesas.

La contaminación por partículas de aerosoles gaseosos también tiene importancia industrial. Las partículas pueden ser sólidas o líquidas. Los ejemplos más comunes pueden ser la contaminación por gases de combustión o la contaminación de componentes refrigerados por aire por polvo presente en el aire. Los mecanismos se analizan en el artículo sobre la deposición de aerosoles .

Los depósitos de corrosión se crean in situ por la corrosión del sustrato . Se distinguen de los depósitos de incrustaciones, que se forman a partir de material que se origina ex situ. Los depósitos de corrosión no deben confundirse con los depósitos de incrustaciones formados por productos de corrosión generados ex situ. Los depósitos de corrosión normalmente tendrán una composición relacionada con la composición del sustrato. Además, la geometría de las interfaces metal-óxido y óxido-fluido puede permitir una distinción práctica entre los depósitos de corrosión y de incrustaciones. Un ejemplo de incrustaciones por corrosión puede ser la formación de un depósito de óxido de hierro u oxihidróxido a partir de la corrosión del acero al carbono subyacente. Las incrustaciones por corrosión no deben confundirse con la corrosión por incrustaciones, es decir, cualquiera de los tipos de corrosión que pueden ser inducidos por incrustaciones.

Las reacciones químicas pueden ocurrir al entrar en contacto las especies químicas del fluido de proceso con las superficies de transferencia de calor. En tales casos, la superficie metálica a veces actúa como catalizador . Por ejemplo, la corrosión y la polimerización ocurren en el agua de refrigeración para la industria química que tiene un contenido menor de hidrocarburos. Los sistemas en el procesamiento de petróleo son propensos a la polimerización de olefinas o la deposición de fracciones pesadas ( asfaltenos , ceras, etc.). Las altas temperaturas de la pared del tubo pueden provocar la carbonización de la materia orgánica. La industria alimentaria, ^[12] por ejemplo el procesamiento de la leche, ^{[13] [14]} también experimenta problemas de ensuciamiento por reacciones químicas.

Las incrustaciones producidas por una reacción iónica con desprendimiento de un sólido inorgánico se clasifican comúnmente como incrustaciones por precipitación (no incrustaciones por reacción química).

La solidificación de la suciedad se produce cuando un componente del fluido que fluye se "congela" sobre una superficie y forma un depósito de suciedad sólida. Algunos ejemplos pueden ser la solidificación de cera (con un punto de fusión alto) a partir de una solución de hidrocarburos, o de ceniza fundida (transportada en los gases de escape de un horno) sobre la superficie de un intercambiador de calor. La superficie debe tener una temperatura por debajo de un cierto umbral; por lo tanto, se dice que está subenfriada con respecto al punto de solidificación de la suciedad.

La bioincrustación o ensuciamiento biológico es la acumulación indeseable de microorganismos, algas y diatomeas , plantas y animales en superficies como cascos de barcos y submarinos, o tuberías y depósitos con agua no tratada. Esto puede ir acompañado de corrosión de influencia microbiológica (MIC).

Las bacterias pueden formar biopelículas o lodos. De esta forma, los organismos pueden agregarse sobre superficies utilizando hidrogeles coloidales de agua y sustancias poliméricas extracelulares (SPE) ( polisacáridos , lípidos, ácidos nucleicos, etc.). La estructura de la biopelícula suele ser compleja.

La contaminación bacteriana puede ocurrir en condiciones aeróbicas (con oxígeno disuelto en el agua) o anaeróbicas (sin oxígeno). En la práctica, las bacterias aeróbicas prefieren los sistemas abiertos, donde tanto el oxígeno como los nutrientes se suministran constantemente, a menudo en entornos cálidos e iluminados por el sol. La contaminación anaeróbica ocurre con mayor frecuencia en sistemas cerrados cuando hay suficientes nutrientes presentes. Los ejemplos pueden incluir bacterias reductoras de sulfato (o bacterias reductoras de azufre ), que producen sulfuro y a menudo causan corrosión de metales ferrosos (y otras aleaciones). Las bacterias oxidantes de sulfuro (por ejemplo, Acidithiobacillus ), por otro lado, pueden producir ácido sulfúrico y pueden estar involucradas en la corrosión del hormigón.

Los mejillones cebra son un ejemplo de animales de mayor tamaño que han causado incrustaciones generalizadas en América del Norte.

La formación de incrustaciones compuestas es común. Este tipo de incrustaciones implica que más de un agente o más de un mecanismo de incrustación ^[15] actúen simultáneamente. Los múltiples agentes o mecanismos de incrustación pueden interactuar entre sí, lo que da como resultado una incrustación sinérgica que no es una simple suma aritmética de los componentes individuales. ^[16]

Los vehículos exploradores de la NASA en Marte ( Spirit y Opportunity ) experimentaron (presumiblemente) una contaminación abiótica de los paneles solares causada por partículas de polvo de la atmósfera marciana. ^[17] Algunos de los depósitos se limpiaron posteriormente de forma espontánea . Esto ilustra la naturaleza universal de los fenómenos de contaminación.

La forma más sencilla de cuantificar el ensuciamiento bastante uniforme es indicando la carga superficial media del depósito, es decir, kg de depósito por m2 ^de superficie. La tasa de ensuciamiento se expresará entonces en kg/m2 ^s , y se obtiene dividiendo la carga superficial del depósito por el tiempo de funcionamiento efectivo. La tasa de ensuciamiento normalizada (también en kg/m2 ^s ) tendrá en cuenta además la concentración del ensuciador en el fluido de proceso (kg/kg) durante las operaciones anteriores, y es útil para la comparación de las tasas de ensuciamiento entre diferentes sistemas. Se obtiene dividiendo la tasa de ensuciamiento por la concentración del ensuciador. La constante de la tasa de ensuciamiento (m/s) se puede obtener dividiendo la tasa de ensuciamiento normalizada por la densidad de masa del fluido de proceso (kg/m3 ⁾ .

El espesor del depósito (μm) y la porosidad (%) también se utilizan a menudo para describir la cantidad de suciedad. La reducción relativa del diámetro de la tubería o el aumento de la rugosidad de la superficie pueden ser de particular interés cuando se analiza el impacto de la suciedad en la caída de presión.

En los equipos de transferencia de calor, donde la principal preocupación es a menudo el efecto de las incrustaciones en la transferencia de calor, las incrustaciones se pueden cuantificar por el aumento de la resistencia al flujo de calor (m2K ^/ W) debido a las incrustaciones (denominado " resistencia a las incrustaciones "), o por el desarrollo del coeficiente de transferencia de calor (W/m2K ⁾ con el tiempo.

Si la corrosión debajo del depósito o por grietas es la preocupación principal, es importante observar la falta de uniformidad del espesor del depósito (por ejemplo, ondulación del depósito ), ensuciamiento localizado, empaquetamiento de regiones confinadas con depósitos, creación de oclusiones, "grietas", "tubérculos de depósito", ^[18] o pilas de lodo. Tales estructuras de depósito pueden crear un entorno para la corrosión debajo del depósito del material del sustrato, por ejemplo, ataque intergranular , picaduras , agrietamiento por corrosión bajo tensión o desgaste localizado. La porosidad y la permeabilidad de los depósitos probablemente influirán en la probabilidad de corrosión debajo del depósito. La composición del depósito también puede ser importante: incluso los componentes menores de los depósitos a veces pueden causar corrosión grave del metal subyacente (por ejemplo, vanadio en depósitos de calderas encendidas que causa corrosión en caliente ).

No existe una regla general sobre la cantidad de depósitos que se pueden tolerar, depende del sistema. En muchos casos, un depósito de incluso unos pocos micrómetros de espesor puede ser problemático. Un depósito de un espesor de un milímetro será un problema en casi cualquier aplicación.

La formación de depósitos sobre una superficie no siempre se produce de forma constante a lo largo del tiempo. En función de la naturaleza del sistema y de las condiciones termohidráulicas locales en la superficie, se pueden distinguir los siguientes escenarios de ensuciamiento:

• Período de inducción : a veces, se observa una tasa de ensuciamiento casi nula cuando la superficie es nueva o está muy limpia. Esto se observa a menudo en casos de bioincrustaciones y ensuciamiento por precipitación. Después del "período de inducción", la tasa de ensuciamiento aumenta.
• Ensuciamiento "negativo" : esto puede ocurrir cuando la tasa de ensuciamiento se cuantifica mediante el control de la transferencia de calor. Cantidades relativamente pequeñas de depósitos pueden mejorar la transferencia de calor, en relación con una superficie limpia, y dar una apariencia de tasa de ensuciamiento "negativa" y cantidad total de ensuciamiento negativa. El ensuciamiento negativo se observa a menudo en condiciones de transferencia de calor de ebullición nucleada (el depósito mejora la nucleación de burbujas) o convección forzada (si el depósito aumenta la rugosidad de la superficie y la superficie ya no es "hidráulicamente lisa"). Después del período inicial de "control de la rugosidad de la superficie", la tasa de ensuciamiento suele volverse fuertemente positiva.
• Ensuciamiento lineal : la tasa de ensuciamiento puede ser constante con el tiempo. Este es un caso común.
• Ensuciamiento descendente : en este escenario, la tasa de ensuciamiento disminuye con el tiempo, pero nunca llega a cero. El espesor del depósito no alcanza un valor constante. El progreso del ensuciamiento se puede describir a menudo mediante dos números: la tasa de ensuciamiento inicial (una tangente a la curva de ensuciamiento con una carga de depósito cero o tiempo cero) y la tasa de ensuciamiento después de un largo período de tiempo (una asíntota oblicua a la curva de ensuciamiento).
• Ensuciamiento asintótico : en este caso, la tasa de ensuciamiento disminuye con el tiempo hasta que finalmente llega a cero. En este punto, el espesor del depósito permanece constante con el tiempo (una asíntota horizontal ). Este suele ser el caso de depósitos relativamente blandos o poco adherentes en áreas de flujo rápido. La asíntota suele interpretarse como la carga del depósito en la que la tasa de deposición es igual a la tasa de eliminación del depósito.
• Aceleración de la formación de incrustaciones : en este escenario, la tasa de formación de incrustaciones aumenta con el tiempo; la tasa de acumulación de depósitos se acelera con el tiempo (quizás hasta que se ve limitada por el transporte). Desde el punto de vista mecánico, esta situación puede desarrollarse cuando las incrustaciones aumentan la rugosidad de la superficie o cuando la superficie del depósito muestra una mayor propensión química a la formación de incrustaciones que el metal subyacente puro.
• Ensuciamiento en balancín - Aquí, la carga de ensuciamiento generalmente aumenta con el tiempo (a menudo asumiendo una tasa generalmente lineal o decreciente), pero, cuando se observa con más detalle, el progreso del ensuciamiento se interrumpe periódicamente y toma la forma de una curva de dientes de sierra . Las variaciones periódicas agudas en la cantidad aparente de ensuciamiento a menudo corresponden a los momentos de apagados, arranques u otros transitorios del sistema en funcionamiento. Las variaciones periódicas a menudo se interpretan como la eliminación periódica de parte del depósito (quizás resuspensión del depósito debido a pulsos de presión, desconchado debido a tensiones térmicas o exfoliación debido a transitorios redox). Se ha postulado que se produce una manta de vapor entre los depósitos parcialmente desconchados y la superficie de transferencia de calor. Sin embargo, son posibles otras razones, por ejemplo, atrapamiento de aire dentro de los depósitos de la superficie durante los apagados o inexactitud de las mediciones de temperatura durante los transitorios ("flujo de temperatura"). ^[19]

El ensuciamiento de un sistema se puede modelar como un proceso que consta de varios pasos:

• Generación o ingreso de especies que causan incrustaciones ("fuente de incrustaciones");
• Transporte de suciedad con la corriente del fluido de proceso (generalmente por advección );
• Transporte de contaminantes desde la masa del fluido de proceso hasta la superficie contaminante. Este transporte se produce a menudo por difusión molecular o por remolinos turbulentos , pero también puede producirse por impacto o deslizamiento inercial, intercepción de partículas por la superficie (para partículas con tamaños finitos), electroforesis , termoforesis , difusioforesis , flujo de Stefan (en condensación y evaporación), sedimentación , fuerza de Magnus (que actúa sobre partículas rotatorias), efecto termoeléctrico , ^{[20] [21]} y otros mecanismos.
• Período de inducción, es decir, una tasa de ensuciamiento casi nula en el período inicial de ensuciamiento ^[22] (observado solo para algunos mecanismos de ensuciamiento);
• Cristalización de suciedad en la superficie (o fijación de la partícula coloidal, o reacción química, o crecimiento bacteriano);
• A veces, se produce autorretardo de la incrustación, es decir, reducción (o posible mejora) de la tasa de cristalización/adherencia debido a cambios en las condiciones de la superficie causados ​​por el depósito de incrustación;
• Disolución de depósitos (o re-arrastre de partículas débilmente adheridas);
• Consolidación del depósito en la superficie (por ejemplo, a través de la maduración de Ostwald o la solubilidad diferencial en gradientes de temperatura) o cementación , que explican que el depósito pierda su porosidad y se vuelva más tenaz con el tiempo;
• Desprendimiento de depósitos , desgaste por erosión o exfoliación .

La deposición consiste en el transporte a la superficie y su posterior fijación. La eliminación de los depósitos se produce mediante la disolución de los mismos, el rearrastre de partículas o el desprendimiento de los mismos, el desgaste erosivo o la exfoliación. La formación de incrustaciones es el resultado de la generación de incrustaciones, la deposición de incrustaciones, la eliminación de los depósitos y la consolidación de los mismos.

Para el modelo moderno de ensuciamiento que implica deposición con re-arrastre y consolidación simultáneos del depósito, ^[23] el proceso de ensuciamiento se puede representar mediante el siguiente esquema:

      [ tasa de acumulación de depósitos ] = [ tasa de deposición ] - [ tasa de reincorporación de depósitos no consolidados ]

      [ tasa de acumulación de depósitos no consolidados ] = [ tasa de deposición ] - [ tasa de reincorporación de depósitos no consolidados ] - [ tasa de consolidación de depósitos no consolidados ]

Siguiendo el esquema anterior, las ecuaciones básicas de ensuciamiento se pueden escribir de la siguiente manera (para condiciones de estado estable con flujo, cuando la concentración permanece constante con el tiempo):

${\displaystyle {\begin{cases}{dm/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)\\{dm_{r}/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)-\lambda _{c}\cdot m_{r}(t)\end{cases}}}$

dónde:

• m es la carga de masa del depósito (consolidado y no consolidado) sobre la superficie (kg/m ² );
• t es tiempo(s);
• k _d es la constante de velocidad de deposición (m/s);
• ρ es la densidad del fluido (kg/m ³ );
• C _m - fracción de masa de suciedad en el fluido (kg/kg);
• λ _r es la constante de tasa de reentrenamiento (1/s);
• m _r es la carga de masa de la fracción removible (es decir, no consolidada) del depósito superficial (kg/m ² ); y
• λ _c es la constante de tasa de consolidación (1/s).

Este sistema de ecuaciones se puede integrar (tomando m = 0 y m _r = 0 en t = 0) en la forma:

${\displaystyle m(t)={{k_{d}C_{m}\rho } \over {\lambda }}\left(t\lambda _{c}+{{\lambda _{r}} \over {\lambda }}\left(1-e^{-\lambda t}\right)\right)}$

donde λ = λ _r + λ _c .

Este modelo reproduce el ensuciamiento lineal, descendente o asintótico, dependiendo de los valores relativos de k, λ _r y λ _c . La imagen física subyacente para este modelo es la de un depósito de dos capas que consiste en una capa interna consolidada y una capa externa suelta no consolidada. Este tipo de depósito de dos capas se observa a menudo en la práctica. El modelo anterior se simplifica fácilmente al modelo anterior de deposición y re-arrastre simultáneos ^[24] (que descuida la consolidación) cuando λ _c = 0. En ausencia de consolidación, el ensuciamiento asintótico siempre es anticipado por este modelo anterior y el progreso del ensuciamiento puede describirse como:

${\displaystyle m(t)=m^{*}\left(1-e^{-\lambda _{r}t}\right)}$

donde m ^* es la carga de masa máxima (asintótica) del depósito en la superficie (kg/m2 ⁾ .

Las incrustaciones son omnipresentes y generan enormes pérdidas operativas, no muy diferentes de la corrosión. Por ejemplo, una estimación sitúa las pérdidas debidas a las incrustaciones en los intercambiadores de calor de los países industrializados en alrededor del 0,25% de su PIB . ^[25] Otro análisis ^[26] estimó (para 2006) la pérdida económica debida a las incrustaciones en las calderas y turbinas de las empresas de servicios públicos de China en 4.680 millones de dólares, lo que supone aproximadamente el 0,169% del PIB del país.

Las pérdidas resultan inicialmente de una transferencia de calor deficiente, daños por corrosión (en particular, corrosión por debajo de los depósitos y por grietas ), mayor caída de presión, bloqueos del flujo, redistribución del flujo dentro de los componentes, inestabilidades del flujo, vibraciones inducidas (que posiblemente conduzcan a otros problemas, por ejemplo, fatiga ^[27] ), desgaste por frotamiento , falla prematura de los elementos de calentamiento eléctrico y una gran cantidad de otros problemas a menudo imprevistos. Además, se deben considerar los costos ecológicos (pero generalmente no se consideran). Los costos ecológicos surgen del uso de biocidas para evitar la bioincrustación, del mayor aporte de combustible para compensar la menor producción causada por la incrustación y de un mayor uso de agua de refrigeración en sistemas de refrigeración de paso único.

Por ejemplo, la incrustación "normal" en una unidad de una central eléctrica de 500 MW (potencia eléctrica neta) alimentada con combustible convencional es responsable de pérdidas de potencia de la turbina de vapor de 5 MW y más. En una central nuclear de 1.300 MW , las pérdidas típicas podrían ser de 20 MW y más (hasta el 100% si la central se apaga debido a la degradación de componentes inducida por la incrustación). En las plantas de desalinización de agua de mar , la incrustación puede reducir la relación de potencia ganada en porcentajes de dos dígitos (la relación de potencia ganada es un equivalente que pone la masa del destilado generado en relación con el vapor utilizado en el proceso). El consumo eléctrico adicional en los enfriadores operados por compresor también se encuentra fácilmente en el área de los dos dígitos. Además de los costos operativos, también aumenta el costo de capital porque los intercambiadores de calor tienen que diseñarse en tamaños más grandes para compensar la pérdida de transferencia de calor debido a la incrustación. A las pérdidas de producción mencionadas anteriormente, hay que sumar el costo del tiempo de inactividad necesario para inspeccionar, limpiar y reparar los componentes (millones de dólares por día de inactividad en pérdidas de ingresos en una planta de energía típica) y el costo de realizar realmente este mantenimiento. Por último, la suciedad suele ser una causa fundamental de graves problemas de degradación que pueden limitar la vida útil de los componentes o de plantas enteras.

El método más fundamental y generalmente preferido para controlar las incrustaciones es evitar la entrada de especies contaminantes en el circuito de agua de refrigeración. En las centrales eléctricas de vapor y otras instalaciones industriales importantes de tecnología del agua , las incrustaciones macroscópicas se evitan mediante prefiltración y filtros de residuos de agua de refrigeración . Algunas plantas emplean un programa de exclusión de objetos extraños (para eliminar la posibilidad de introducción saliente de materiales no deseados, por ejemplo, olvidar herramientas durante el mantenimiento). A veces se emplea la monitorización acústica para controlar el desgaste por piezas desprendidas. En el caso de las incrustaciones microscópicas, la purificación del agua se logra con métodos extensivos de tratamiento del agua, microfiltración , tecnología de membranas ( ósmosis inversa , electrodesionización ) o resinas de intercambio iónico . La generación de productos de corrosión en los sistemas de tuberías de agua a menudo se minimiza controlando el pH del fluido de proceso (normalmente alcalinización con amoníaco , morfolina , etanolamina o fosfato de sodio ), controlando el oxígeno disuelto en el agua (por ejemplo, mediante la adición de hidracina ) o añadiendo inhibidores de corrosión .

Para sistemas de agua a temperaturas relativamente bajas, los biocidas aplicados pueden clasificarse de la siguiente manera: compuestos inorgánicos de cloro y bromuro , desoxidantes de cloro y bromuro , desoxidantes de ozono y oxígeno , biocidas no oxidables . Uno de los biocidas no oxidables más importantes es una mezcla de clorometil-isotiazolinona y metil -isotiazolinona. También se aplican dibrom nitrilopropionamida y compuestos de amonio cuaternario . Para los cascos de los barcos submarinos se aplican pinturas para el fondo .

Los inhibidores químicos de incrustaciones ^[28] pueden reducir las incrustaciones en muchos sistemas, principalmente al interferir con los pasos de cristalización, adhesión o consolidación del proceso de incrustaciones. Algunos ejemplos para sistemas de agua son: agentes quelantes (por ejemplo, EDTA ), aminas alifáticas de cadena larga o poliaminas (por ejemplo, octadecilamina, helamina y otras aminas "formadoras de película"), ácidos fosfónicos orgánicos (por ejemplo, ácido etidrónico ) o polielectrolitos (por ejemplo, ácido poliacrílico , ^[29] ácido polimetacrílico, generalmente con un peso molecular inferior a 10000). Para calderas de combustión, los aditivos de aluminio o magnesio pueden reducir el punto de fusión de las cenizas y promover la creación de depósitos que son más fáciles de eliminar. Véase también productos químicos de proceso .

El tratamiento magnético del agua ha sido objeto de controversia en cuanto a su eficacia para el control de las incrustaciones desde la década de 1950. La opinión predominante es que simplemente "no funciona". ^[30] Sin embargo, algunos estudios sugieren que puede ser eficaz en determinadas condiciones para reducir la acumulación de depósitos de carbonato de calcio. ^[31]

En el nivel de diseño de componentes, el ensuciamiento puede a menudo (pero no siempre) minimizarse manteniendo una velocidad de fluido relativamente alta (por ejemplo, 2 m/s) y uniforme en todo el componente. Es necesario eliminar las regiones estancadas. Los componentes normalmente se sobrediseñan para acomodar el ensuciamiento previsto entre limpiezas. Sin embargo, un sobrediseño significativo puede ser un error de diseño porque puede conducir a un mayor ensuciamiento debido a velocidades reducidas. Los pulsos de presión periódicos en línea o el reflujo pueden ser efectivos si la capacidad se incorpora cuidadosamente en el momento del diseño. La capacidad de purga siempre se incorpora en los generadores de vapor o evaporadores para controlar la acumulación de impurezas no volátiles que causan o agravan el ensuciamiento. Las superficies de bajo ensuciamiento (por ejemplo, muy lisas, implantadas con iones o de baja energía superficial como el teflón ) son una opción para algunas aplicaciones. Por lo general, se requiere que los componentes modernos se diseñen para facilitar la inspección de los componentes internos y la limpieza periódica. Los sistemas de monitoreo de suciedad en línea están diseñados para algunas aplicaciones de modo que se pueda aplicar soplado o limpieza antes de que sea necesario un apagado impredecible o se produzcan daños.

Se recomiendan procesos de limpieza química o mecánica para la eliminación de depósitos y incrustaciones cuando la suciedad llega al punto de afectar el rendimiento del sistema o el inicio de una degradación significativa inducida por la suciedad (por ejemplo, por corrosión). Estos procesos incluyen el decapado con ácidos y agentes complejantes , la limpieza con chorros de agua a alta velocidad ("lanza de agua"), la recirculación ("chorreo") con bolas de metal, esponja u otras bolas, o el uso de limpiadores de tubos mecánicos "tipo bala" fuera de línea. Mientras que la limpieza química causa problemas ambientales a través del manejo, la aplicación, el almacenamiento y la eliminación de productos químicos, la limpieza mecánica mediante bolas de limpieza circulantes o la limpieza "tipo bala" fuera de línea puede ser una alternativa más respetuosa con el medio ambiente . En algunas aplicaciones de transferencia de calor, la mitigación mecánica con intercambiadores de calor de superficie raspada dinámica es una opción. También hay métodos de limpieza ultrasónicos o abrasivos disponibles para muchas aplicaciones específicas.

• Investigación sobre contaminación por petróleo crudo
• [1]