Incrustaciones en instalaciones solares térmicas

 

Por
Annia Ela Cárdenas Salés*,
Guillermo Quesada Ramos**
y Maykel Pérez Mena**


Análisis de los métodos más empleadospara combatir las indeseables incrustaciones
en instalaciones solares térmicas

 

En los próximos cincuenta años, los mejores recursos petrolíferos y de gas natural estarán casi totalmente agotados, encareciendo y agravando la crisis energética y ambiental, por lo que el interés por el desarrollo de las fuentes renovables de energía en el ámbito social y político demanda en estos momentos un alto grado de información, comunicación y gestión del conocimiento, con vistas a emprender acciones para promover su utilización.

En 1993 fue confeccionado y aprobado el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía en Cuba, que se basa principalmente en el aumento de la eficiencia energética y en el desarrollo de las fuentes renovables de energía; en el campo específico de la solar térmica se formulan los objetivos de trabajo siguientes:

• Desarrollo, demostración e introducción de colectores solares, secaderos solares para madera y otros productos agrícolas, destiladores de agua, etc., que sean competitivos en el mercado nacional.
• Desarrollo de investigaciones sobre colectores solares avanzados, la refrigeración y climatización solar, y los estanques solares.
• Implementación de proyectos demostrativos a escala industrial de aplicaciones comerciales de calentamiento solar de fluidos.
• Desarrollo de capacidades productivas y de comercialización nacionales de equipamiento solar térmico.

A pesar de nuestras condiciones climáticas favorables, la generalización del uso doméstico del agua caliente solar, tanto en la esfera del turismo como en edificaciones sociales (escuelas, hospitales, círculos infantiles) no ha sido posible debido a la poca durabilidad que han tenido las instalaciones existentes, por lo que han sido poco fiables.
Existen varios factores que han propiciado este problema, como la falta de mantenimiento, montajes y diseños ineficientes, formación de incrustaciones calcáreas en el interior del sistema, entre otros.

La deposición de las incrustaciones calcáreas en el interior del sistema afecta a los circuitos de varias maneras:

• Disminución del caudal, hasta llegar a su parálisis, debido al crecimiento del espesor de una capa calcárea.
• Corrosión irreversible de toda superficie metálica presente en el circuito hasta su deterioro total.
• Necesidad de recambio de tramos completos de tuberías del circuito de agua, piezas y partes de equipos afectados por las incrustaciones y/o la corrosión.
• Pérdida de entre 40 y 90% de la efectividad del sistema de transferencia de calor debido al aislamiento térmico provocado por las incrustaciones.

Actualmente existen métodos de tratamiento del agua para reducir y/o prevenir la formación de las incrustaciones calcáreas: métodos químicos (productos químicos, suavizadores de intercambio iónico, ósmosis inversa) y métodos físicos (tratamiento magnético). Este último es uno de los más utilizado en las instalaciones industriales por sus ventajas técnicas, económicas y ecológicas.

Origen y formación de las incrustaciones
El agua es buen solvente para muchos materiales y puede transportar grandes cantidades de minerales. Todas las aguas naturales disuelven distintos componentes cuando contactan fases minerales en su estado normal. Esto da lugar a fluidos complejos ricos en iones, algunos de los cuales se encuentran en su límite de saturación para ciertas fases minerales.

La formación de incrustaciones comienza cuando se perturba el estado de cualquier fluido natural de forma tal que se excede el límite de solubilidad de uno o más de sus componentes y se precipitan en una superficie. La sal más abundante es el bicarbonato de calcio [Ca (HCO3)2], que no existe en estado sólido y se encuentra de forma inestable en una solución acuosa que tiende a precipitar carbonato de calcio.

Aunque el carbonato de calcio (CaCO3) y de magnesio (MgCO3) forman la mayor parte de las incrustaciones, ellos requieren de otros componentes, como la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3), que actúen como agentes de cementación para que sean retenidos sobre las paredes de forma similar a como aparecen en la naturaleza.

Para mantener el bicarbonato de calcio en la solución, que es lo que nos interesa, resulta necesario que exista cierta cantidad de dióxido de carbono libre que equilibre
la reacción y haga retroceder la precipitación.

Una vez que se ha producido la precipitación ocurre el proceso de nucleación, mediante el cual se forman cristales de tamaño diminuto que aprovechan cualquier traza de sustancia extraña. Los cristales se forman inicialmente en regiones minúsculas de la fase inicial, y después se propagan y aumentan en ella hasta hacerse visibles.
Las solubilidades de los minerales en sí mismas tienen, además, una complicada dependencia respecto a la temperatura y la presión.

Por lo general, un incremento de la temperatura provoca el aumento de la solubilidad de un mineral en el agua (más iones se disuelven a temperaturas más elevadas). En forma similar, la solubilidad tiende a disminuir al descender la presión.
En resumen, el punto de partida para la formación de las incrustaciones está relacionado con un aumento de la temperatura de la disolución, un aumento de la acidez del fluido (provocado por altos niveles de presión) y la carencia de CO2 en el agua.
El fenómeno de incrustación se produce con independencia del material con el que esté construida la red. Las tuberías de cobre no previenen la deposición de incrustaciones. Además, con aguas incrustantes no se deben utilizar tuberías de cobre, pues los depósitos calcáreos se depositan en codos, curvas, etc., y obstruyen las tuberías en estas zonas.

Tabla 1.Métodos de tratamiento que se realizan al agua


En las tuberías de acero galvanizado el efecto es doble, ya que además de la incrustación se acelera la corrosión ante la formación de concentraciones de minerales, pues la incrustación no es una capa continua.

En las tuberías de plástico se forma una capa delgada de incrustación uniforme que al ir aumentando se desprende en trozos que taponan grifos, codos, etcétera.

Métodos para combatir las incrustaciones
Tradicionalmente los problemas de la dureza del agua, en especial los relacionados con las incrustaciones, han sido combatidos utilizando métodos químicos, como el acondicionamiento químico del fluido, suavizadores por intercambio iónico y por ósmosis inversa. Otras formas de combate han sido el empleo de los métodos físicos, como es el tratamiento magnético.

Un aspecto importante que se debe señalar es que actualmente en las instalaciones solares térmicas se emplean intercambiadores de calor en el circuito primario, como variante para proteger al colector solar de la formación de incrustaciones. Esta variante permite circular por el colector solar otro tipo de fluido portador de calor que no sea el agua.

En la tabla 1 se describen las características de cada método de tratamiento que se le realiza al agua, incluyendo la variante del intercambiador de calor, y se exponen las ventajas y desventajas de cada uno, así como su incidencia sobre el medio ambiente.

* Especialista en Tecnologías de Avanzada. Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC), La Habana, Cuba.
** Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), La Habana, Cuba.
e-mail: annia.cardenas@cnic.edu.cu