El 7 de enero de 2010, el hielo frazil obligó a una parada manual del reactor (un «trip») en la central nuclear de Salem, en Nueva Jersey. En enero de 2000, el bloqueo por hielo en la central nuclear de Point Beach, en el lago Míchigan, provocó un descenso rápido de los niveles de agua de refrigeración en la toma, lo que desencadenó una parada de emergencia del reactor (un «scram»). Y de enero a marzo de 2025, Trenton Water Works, en Nueva Jersey, tuvo que hacer un bypass de su toma principal y depender de bombas de emergencia diésel durante casi dos meses después de que el hielo frazil redujera la capacidad del sistema [1][2].
No se trata de incidentes aislados. Cada invierno, las tomas de agua de todo el hemisferio norte se enfrentan a la misma amenaza. El hielo frazil (pequeños cristales de hielo que se forman en agua sobreenfriada en movimiento y se adhieren a las superficies de la rejilla) puede bloquear una toma en cuestión de minutos y dejar fuera de servicio turbinas hidroeléctricas, plantas municipales de tratamiento de agua, sistemas industriales de refrigeración e instalaciones de innivación justo en el momento en que más se necesitan.
Esta guía explica la ciencia de la formación de hielo en las tomas de agua, documenta los cinco métodos antihielo probados y presenta el enfoque de ingeniería que ADENCO ha desarrollado específicamente para las rejillas de toma Coanda que operan con frío extremo.
Índice
- La ciencia del hielo en las tomas de agua
- Dos tipos de obstrucción por hielo en las rejillas Coanda
- Cinco métodos antihielo: cómo funciona cada uno
- Selección de la estrategia antihielo adecuada
- El enfoque antihielo de ADENCO para rejillas Coanda
- Diseño para clima frío: lista de comprobación de especificaciones
- Preguntas frecuentes
- Referencias
La ciencia del hielo en las tomas de agua
Entender cómo se forma el hielo en las rejillas de toma es esencial para seleccionar la estrategia de prevención adecuada. Existen tres mecanismos distintos de formación de hielo y cada uno exige una respuesta diferente.
Hielo frazil
El hielo frazil es la amenaza más peligrosa y menos comprendida para las tomas de agua. Se forma cuando el agua turbulenta se enfría justo por debajo de su punto de congelación (un estado denominado sobreenfriamiento), normalmente solo entre 0,01 °C y 0,1 °C [3][4].
El proceso de formación es rápido y se autoacelera:
- Sobreenfriamiento: El agua turbulenta y de flujo rápido (rápidos, corrientes someras, canales de descarga) pierde calor hacia el aire frío más deprisa que el agua en calma. Toda la columna de agua desciende por debajo de 0 °C sin formar una capa de hielo estable.
- Nucleación: Los cristales de hielo se forman cuando pequeñas partículas de siembra (cristales de hielo en suspensión, polvo o burbujas de cavitación) entran en el agua sobreenfriada. Los cristales iniciales tienen un radio de aproximadamente 0,3 mm [3].
- Nucleación secundaria: Los cristales existentes chocan y se fragmentan por efecto de la turbulencia, y cada fragmento se convierte en un nuevo punto de nucleación. La producción de cristales se acelera rápidamente y un río puede pasar de agua clara a una espesa papilla de hielo en cuestión de minutos [3].
- Adhesión: Con un sobreenfriamiento de solo 0,1 °C, los cristales de hielo frazil se adhieren a las superficies metálicas. Con un sobreenfriamiento de 0,2–0,3 °C, se adhieren prácticamente a cualquier superficie, incluidos los plásticos [3]. Los cristales se acumulan sobre los alambres en cuña, llenan las aberturas de las ranuras y bloquean el paso del agua.
El punto clave: el hielo frazil se adhiere a cualquier superficie que esté a 0 °C o por debajo. La prevención más fiable consiste en mantener las superficies de la rejilla por encima del punto de congelación, aunque sea por una fracción de grado [1][5].
Hielo en placas (hielo de fondo)
El hielo en placas se forma cuando los cristales de hielo frazil se depositan sobre superficies sumergidas (alambres en cuña, barras de soporte, la cresta del azud) y crecen hasta formar placas sólidas. Es la causa principal del bloqueo en tomas totalmente sumergidas [1]. A diferencia del hielo frazil suelto, el hielo en placas es mecánicamente resistente y no puede desprenderse solo con la velocidad del flujo.
Formación de hielo atmosférico
La formación de hielo atmosférico se produce cuando la temperatura del aire ambiente está muy por debajo del punto de congelación y las salpicaduras o el rocío de agua se congelan sobre las superficies expuestas de la rejilla. Es un problema para las rejillas montadas en superficie (incluidas las rejillas Coanda) que están expuestas tanto al agua como al aire frío. La formación de hielo atmosférico avanza desde el lado del aire, no desde el lado del agua, y es más grave en condiciones de viento fuerte y temperaturas bajas.
Dos tipos de obstrucción por hielo en las rejillas Coanda
Las investigaciones realizadas en el laboratorio de heladas de la NTNU, en Noruega, y mediante la monitorización in situ de una toma con rejilla Coanda identificaron dos mecanismos de obstrucción diferenciados, propios de la geometría de la rejilla Coanda [6][7]:
Tipo I: acumulación de hielo blando
El hielo blando y húmedo, tipo aguanieve, se acumula en la superficie superior de los alambres en cuña de la rejilla, justo aguas abajo de la zona húmeda por donde el agua entra en las ranuras. El hielo se adhiere a las superficies de alambre en cuña, pero no penetra entre los alambres. La rejilla permanece parcialmente abierta bajo la capa de hielo y una parte del agua sigue pasando.
Características:
- Se produce cuando las partículas de hielo del agua de aproximación entran en contacto con la superficie de la rejilla
- La rejilla sigue siendo parcialmente funcional
- Puede quedar libre de hielo por sí sola cuando la temperatura del agua supera los 0 °C
- La reducción del caudal es gradual, no repentina
Tipo II: Formación de hielo sólido entre los alambres en cuña
El hielo sólido se forma entre los alambres en cuña de la rejilla antes de que ninguna partícula de hielo llegue a la rejilla desde el agua. Esto ocurre cuando la propia rejilla se enfría por debajo de 0 °C a causa de temperaturas del aire extremas (observado con temperaturas del aire de −13,8 °C a −14,0 °C y temperaturas de la rejilla de −5,9 °C a −7,1 °C en ensayos de laboratorio) [6].
Características:
- Se produce con frío extremo incluso sin hielo frazil en el agua
- El bloqueo de la rejilla es rápido y total
- No queda libre de hielo mientras persistan las condiciones de congelación
- Requiere una intervención activa o un aumento de la temperatura para restablecer el caudal
La investigación noruega obtuvo un resultado alentador: la rejilla Coanda volvió a abrirse sin ninguna intervención manual tras todos los episodios de bloqueo por hielo una vez que mejoraron las condiciones [6]. La rejilla funcionó bien en todas las condiciones invernales normales y fue totalmente autolimpiante. El bloqueo completo solo se produjo durante los episodios de sobreenfriamiento más extremos.
Cinco métodos antihielo: cómo funciona cada uno
1. Elementos calefactores eléctricos
Principio: Las resistencias eléctricas embebidas en la estructura de la rejilla o fijadas a ella mantienen la temperatura de la superficie de alambre en cuña por encima de 0 °C, impidiendo la nucleación del hielo.
Funcionamiento: Durante la fabricación se integran cables o elementos calefactores de baja potencia en el panel de rejilla, tendidos a lo largo de las barras de soporte o embebidos en la estructura de montaje del alambre en cuña. Un sensor de temperatura y un controlador activan el calentamiento cuando la temperatura del agua o del aire se aproxima a 0 °C.
Eficacia: muy alta. Dado que el hielo frazil no puede adherirse a superficies por encima de 0 °C, incluso un calentamiento mínimo (elevar la temperatura superficial 0,5–1,0 °C) resulta plenamente eficaz contra la obstrucción de Tipo I y de Tipo II [1][5].
Limitaciones: Requiere suministro eléctrico en el emplazamiento de la toma. El consumo energético es moderado (normalmente 100–500 W/m² de superficie de rejilla, según las condiciones ambientales), pero exige cableado hasta un suministro eléctrico.
Indicado para: emplazamientos con infraestructura eléctrica disponible; todos los tipos de rejilla, incluidas las rejillas Coanda.
2. Recirculación de agua templada
Principio: una parte del agua aguas abajo (que se encuentra por encima de 0 °C tras pasar por la cámara de recogida) se recircula hacia la toma de agua, calentando el agua de aproximación y la superficie de la rejilla.
Funcionamiento: Una pequeña bomba de recirculación toma agua de la cámara de recogida o de la tubería aguas abajo y la devuelve a la cresta del azud, aguas arriba de la rejilla, o directamente sobre la superficie de la rejilla. El agua recirculada (incluso a solo 1–2 °C) está lo bastante templada para evitar el sobreenfriamiento en la cara de la rejilla [1][5].
Eficacia: alta en condiciones de frío moderado. El efecto de calentamiento depende de la relación entre el caudal recirculado y el caudal frío entrante, y de la diferencia de temperatura.
Limitaciones: Requiere una bomba (electricidad), tubería de retorno y un volumen suficiente de agua templada. Con frío extremo, el agua recirculada puede enfriarse ella misma por debajo de 0 °C antes de llegar a la rejilla. Además, reduce el caudal neto que atraviesa el sistema.
Indicado para: tomas de agua hidroeléctricas y municipales en las que se dispone de agua aguas abajo a temperaturas superiores a las de congelación; emplazamientos que ya cuentan con bombas pequeñas.
3. Difusor de aire comprimido caliente
Principio: un sistema presurizado libera burbujas de aire caliente bajo la rejilla de toma o delante de ella, creando una zona de mezcla que aleja los cristales de frazil de la superficie de la rejilla y aporta calor.
Funcionamiento: Un compresor y un calentador de aire suministran aire caliente a presión a través de un difusor de burbuja gruesa instalado en la base de la rejilla o de la estructura del azud. Las burbujas ascendentes crean una circulación vertical que trae agua más templada desde el fondo (en lagos) o mezcla calor en la zona próxima a la rejilla [8][9].
Eficacia: de buena a alta, según la geometría de la instalación y las características de la masa de agua. Es más eficaz en tomas de agua en lagos y embalses, donde existe agua más templada en profundidad.
Limitaciones: Requiere compresor, calentador y suministro eléctrico. Es menos eficaz en ríos de montaña someros y de corriente rápida, donde no se dispone de agua templada en profundidad. Durante los episodios de formación de hielo se necesita un suministro de aire continuo.
Más indicado para: Tomas en lagos y embalses; rejillas sumergidas; grandes tomas municipales e industriales.
4. Recinto aislado térmicamente
Principio: una envolvente aislada alrededor de la rejilla retiene el calor residual del flujo de agua e impide que la superficie de la rejilla se enfríe hasta la temperatura del aire.
Funcionamiento: La rejilla se aloja en una estructura con aislamiento (paneles de fibra de vidrio, espuma o material compuesto) que la protege del viento y del aire frío a la vez que permite el paso del agua. La propia agua, a unos 0,5–4 °C, aporta calor suficiente para mantener la rejilla por encima del punto de Funcionamiento: La rejilla se aloja en una estructura aislada (paneles de fibra de vidrio, espuma o material compuesto) que la protege del viento y del aire frío a la vez que permite el paso del agua. La propia agua, a unos 0,5–4 °C, aporta calor suficiente para mantener la rejilla por encima del punto de congelación, siempre que el cerramiento impida la pérdida de calor hacia el aire. el cerramiento impida la pérdida de calor hacia el aire.
Eficacia: moderada. Es eficaz en condiciones de helada suave (temperatura del aire de hasta unos −10 °C), pero insuficiente frente al frío extremo o a episodios prolongados de sobreenfriamiento.
Limitaciones: No protege frente al hielo frazil que llega con el caudal de agua. Impide la inspección visual de la rejilla. Puede atrapar residuos flotantes contra la rejilla si no se diseña con un bypass adecuado.
Indicado para: emplazamientos de clima frío moderado; protección complementaria combinada con otro método principal.
5. Recubrimientos superficiales hidrófobos y antihielo
Principio: los recubrimientos especializados reducen la adherencia del hielo a las superficies de la rejilla, lo que facilita que las fuerzas del flujo arranquen los cristales de hielo antes de que se acumulen.
Funcionamiento: Los recubrimientos superhidrófobos crean una superficie a la que el agua y los cristales de hielo no pueden adherirse con facilidad. El ángulo de contacto del agua supera los 150°, de modo que el agua forma gotas que ruedan en lugar de mojar la superficie y congelarse sobre ella. Investigaciones recientes (2024–2025) han desarrollado recubrimientos superhidrófobos fototérmicos que combinan una repelencia pasiva al hielo con una conversión activa de energía solar en térmica [10].
Eficacia: Prometedora, pero aún en evolución. Los resultados de laboratorio muestran retrasos significativos en la formación de hielo (en un estudio, el tiempo de congelación se prolongó de 150 a 2.140 segundos) [10]. Sin embargo, la durabilidad en servicio bajo flujo continuo, abrasión y bioincrustación sigue siendo un reto.
Limitaciones: Los recubrimientos se degradan con el tiempo y deben volver a aplicarse. Su comportamiento en episodios de sobreenfriamiento severo (donde las fuerzas de adherencia del hielo son mayores) todavía no está demostrado a escala industrial. Por sí solos no bastan para tomas críticas.
Indicado para: protección complementaria combinada con un método activo principal; tecnología en evolución que conviene seguir.
Selección de la estrategia antihielo adecuada
La estrategia óptima depende de las condiciones del emplazamiento, la infraestructura disponible y las consecuencias de un fallo de la toma de agua.
| Factor | Calentamiento eléctrico | Recirculación de agua templada | Difusor de aire | Cerramiento aislado | Recubrimiento superficial |
|---|---|---|---|---|---|
| Electricidad necesaria | Sí (baja) | Sí (bomba) | Sí (compresor) | No | No |
| Rango de temp. eficaz | Todos (hasta −40 °C e inferiores) | Moderado (hasta −15 °C) | Moderado (hasta −20 °C) | Suave (hasta −10 °C) | Solo como complemento |
| Protección frente al hielo frazil | Excelente | Buena | Buena | Escasa | Moderada |
| Protección frente al hielo atmosférico | Excelente | Moderada | Escasa | Buena | Moderada |
| Complejidad de instalación | Baja–Media | Media | Media–Alta | Baja | Baja |
| Coste de explotación | Bajo (electricidad) | Bajo (energía de bombeo) | Medio (compresor) | Nulo | Coste de reaplicación |
| Tipo de rejilla más adecuado | Todos los tipos | Todos los tipos | Rejillas sumergidas | Rejillas montadas en superficie | Todos los tipos |
| Fiabilidad | Muy alta | Alta | Alta | Moderada | Moderada |
Para tomas de agua críticas (abastecimiento municipal de agua, refrigeración nuclear, producción de nieve en plena temporada): utilice la calefacción eléctrica como método principal: es la más fiable y eficaz en todos los rangos de temperatura y tipos de hielo.
Para climas fríos moderados (heladas ocasionales, temperaturas rara vez por debajo de −15 °C): la recirculación de agua caliente o un recinto aislado pueden ser suficientes, con menores requisitos de infraestructura.
Para una protección máxima: Combine métodos: por ejemplo, calentamiento eléctrico de la superficie de la rejilla más un cerramiento aislado para la protección frente al hielo atmosférico. La combinación de métodos aporta un respaldo si uno de ellos falla.
El enfoque de ADENCO para la protección antihielo de las rejillas Coanda
Los métodos antihielo estándar se desarrollaron para rejillas planas convencionales, rejillas cilíndricas sumergidas o barras de reja de gruesos. Las rejillas Coanda tienen una geometría singular (el panel de alambre en cuña curvo e inclinado, la placa de aceleración, la configuración de azud montada en superficie) que exige sistemas antihielo diseñados específicamente.
ADENCO ha desarrollado un sistema antihielo diseñado específicamente para la geometría de la rejilla Coanda. Nuestro enfoque integra el sistema antihielo directamente en el proceso de fabricación de la rejilla, en lugar de tratarlo como un accesorio añadido posteriormente.
Principios de diseño
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Integrado, no añadido: Los elementos antihielo forman parte del conjunto de la rejilla, no son accesorios externos. Esto garantiza una distribución uniforme del calor en toda la superficie de alambre en cuña y elimina los puntos fríos donde podría nuclearse el hielo.
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Calentamiento por zonas: La investigación noruega [6] mostró que la obstrucción por hielo se produce en zonas concretas de la rejilla Coanda: la transición de la placa de aceleración al panel de rejilla (tipo II) y el borde aguas abajo de la zona húmeda (tipo I). Nuestro sistema concentra la energía antihielo allí donde se inicia la obstrucción, en lugar de calentar toda la rejilla de manera uniforme.
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Activación automática: Los sensores de temperatura situados en la superficie de la rejilla ponen en marcha el sistema antihielo solo cuando las condiciones se acercan a los umbrales de congelación. El sistema permanece inactivo durante los meses cálidos y no consume energía.
-
Compatible con el funcionamiento sin electricidad: para emplazamientos remotos sin infraestructura eléctrica, ADENCO ofrece configuraciones pasivas contra la formación de hielo que emplean masa térmica, gestión del caudal y optimización de la geometría de la rejilla para ampliar el rango de condiciones en las que la rejilla puede funcionar sin electricidad. El calentamiento activo está disponible para emplazamientos con suministro eléctrico en los que se requiere la máxima fiabilidad en climas fríos.
Póngase en contacto con ADENCO para obtener detalles técnicos sobre nuestros sistemas contra la formación de hielo y para tratar sus requisitos específicos de clima frío.
Diseño para clima frío: lista de comprobación de la especificación
Al especificar una rejilla de toma de agua para un emplazamiento donde son posibles condiciones de congelación, incluya estos parámetros en su especificación:
| Parámetro | Qué facilitar | Por qué importa |
|---|---|---|
| Temperatura mínima del aire | Mínimo histórico registrado y mínimo invernal habitual (°C) | Determina si se necesita un sistema pasivo o activo contra la formación de hielo |
| Temperatura mínima del agua | Temperatura del agua más baja medida o prevista (°C) | Un agua por debajo de 0 °C indica sobreenfriamiento y riesgo de hielo frazil |
| Tipo de masa de agua | Canal abierto (turbulento) frente a lago/embalse (en calma) | Los ríos turbulentos presentan un riesgo de hielo frazil mucho mayor que los lagos en calma |
| Pendiente y turbulencia del río | Rápidos, correntías o cascadas aguas arriba de la toma | Turbulencia alta = sobreenfriamiento alto = riesgo alto de hielo frazil |
| Histórico de cubierta de hielo | ¿Forma la masa de agua una cubierta de hielo estable en invierno? | Una cubierta de hielo estable aísla el agua del aire frío y reduce el riesgo de hielo frazil |
| Exposición al viento | Grado de exposición al viento en el emplazamiento de la toma | El viento aumenta tanto la velocidad de sobreenfriamiento como la formación de hielo atmosférico |
| Disponibilidad de electricidad | ¿Hay electricidad en la toma? ¿Con qué potencia? | Determina qué métodos contra la formación de hielo son viables |
| Consecuencias de un fallo | ¿Qué ocurre si la rejilla se bloquea? (pérdida de ingresos, riesgo para la seguridad, etc.) | Determina el nivel de redundancia y fiabilidad necesario |
| Temporada de funcionamiento | ¿Todo el año o por temporadas? ¿Qué meses? | Define la duración y la severidad de los requisitos contra la formación de hielo |
Preguntas frecuentes
¿Cómo se evita la formación de hielo en las rejillas de toma de agua?
El método más fiable es mantener la temperatura de la superficie de la rejilla por encima de 0 °C mediante resistencias eléctricas de calentamiento, recirculación de agua caliente o sistemas de difusores de aire caliente. Dado que el hielo frazil no puede adherirse a superficies por encima del punto de congelación, incluso un calentamiento mínimo evita la acumulación. En climas fríos moderados, los recintos aislados o los revestimientos superficiales hidrófobos pueden aportar una protección complementaria. La elección depende del rango de temperaturas del emplazamiento, de la disponibilidad de electricidad y de las consecuencias de un fallo de la toma.
¿Qué es el hielo frazil y por qué obstruye las tomas de agua?
El hielo frazil está formado por pequeños cristales de hielo (aproximadamente 0,3–1,0 mm) que se forman en agua turbulenta sobreenfriada: agua enfriada apenas 0,01–0,1 °C por debajo del punto de congelación. Estos cristales se adhieren a cualquier superficie que esté a 0 °C o por debajo y se acumulan en las ranuras de la rejilla hasta bloquear el flujo. La formación de hielo frazil es rápida y se autoacelera: la nucleación secundaria hace que la producción de cristales se acelere rápidamente en cuestión de minutos, y una rejilla puede pasar de estar totalmente abierta a totalmente bloqueada en menos de una hora durante episodios graves de sobreenfriamiento.
¿Funcionan las rejillas Coanda en climas fríos?
Sí. Las investigaciones realizadas en el laboratorio de heladas de la NTNU, en Noruega, demostraron que las rejillas Coanda funcionan bien en todas las condiciones invernales normales y son totalmente autolimpiantes. El bloqueo completo por hielo solo se produjo durante episodios extremos de sobreenfriamiento, y las rejillas volvieron a abrirse sin intervención operativa una vez que mejoraron las condiciones. Para tomas que deben funcionar durante todo el invierno (como la innivación o el abastecimiento municipal durante todo el año), los sistemas de ADENCO contra la formación de hielo evitan el bloqueo incluso en las condiciones más severas.
¿A qué temperatura se forma el hielo frazil?
El hielo frazil se forma cuando el agua se sobreenfría por debajo de 0 °C: normalmente solo entre 0,01 °C y 0,1 °C. Este sobreenfriamiento se produce con mayor facilidad en flujos turbulentos en canal abierto expuestos a temperaturas del aire muy por debajo del punto de congelación. Las masas de agua profundas y en calma son menos susceptibles, porque la superficie se congela formando una capa de hielo estable que aísla el agua situada debajo de un mayor enfriamiento. Los cristales de hielo frazil empiezan a adherirse a las superficies metálicas con un sobreenfriamiento de tan solo 0,1 °C.
¿Puede una rejilla calefactada evitar el bloqueo por hielo frazil?
Sí. El calentamiento es el método más eficaz y fiable contra la formación de hielo. El hielo frazil no puede nuclear ni adherirse a una superficie que esté por encima de 0 °C. Las resistencias de calentamiento de bajo consumo (100–500 W/m² según las condiciones) integradas en la estructura de la rejilla bastan para mantener la superficie por encima del punto de congelación incluso con temperaturas ambiente extremas por debajo de −30 °C. El coste energético es modesto en comparación con las consecuencias del bloqueo de la toma.
¿En qué se diferencia el sistema de ADENCO contra la formación de hielo de los sistemas estándar?
Los sistemas antihielo estándar están diseñados para rejillas planas o para barras de reja de gruesos y no tienen en cuenta la geometría de la rejilla Coanda. El sistema de ADENCO se integra durante la fabricación, proporciona calentamiento por zonas dirigido a los puntos donde comienza la obstrucción, según lo identificado por la investigación noruega, se activa automáticamente en función de la temperatura superficial y está disponible en configuraciones tanto activas (calefactadas) como pasivas, según la disponibilidad de electricidad.
¿Cuál es el coste del sistema antihielo para una rejilla de toma de agua?
Los sistemas antihielo suelen añadir un 15–30 % al coste del conjunto de la rejilla, según el método seleccionado y las condiciones del emplazamiento. El coste de no disponer de antihielo (medido en producción hidroeléctrica perdida, funcionamiento de bombas diésel de emergencia o parada de la producción de nieve en plena temporada) suele superar la inversión en antihielo durante el primer invierno de operación.
¿Debo especificar antihielo para mi rejilla de toma?
Si en su emplazamiento de toma se registran temperaturas del agua próximas a 0 °C o temperaturas del aire por debajo de 0 °C durante la temporada de operación, sí. La cuestión no es si se formará hielo, sino cuándo. En las tomas para producción de nieve, el antihielo es imprescindible: la producción de nieve funciona exclusivamente en condiciones de congelación. Para tomas hidroeléctricas y municipales en latitudes septentrionales, el antihielo es muy recomendable. El coste de la prevención es una fracción del coste de una parada imprevista.
Referencias
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Publicado por ADENCO: Advanced Engineering Coanda Intake Screens. La tecnología antihielo de ADENCO está diseñada específicamente para la geometría de la rejilla Coanda y proporciona un funcionamiento fiable de la toma de agua en las condiciones de clima frío más extremas. Póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería para tratar los requisitos de su toma de agua en clima frío.