Optimizando la hidrodinámica en estanques de recirculación a gran escala con aireadores de paletas

Un aspecto crucial en el desempeño de la acuicultura es la correcta hidrodinámica dentro de los tanques de cultivo, especialmente en los sistemas de recirculación en acuicultura (RAS) y los sistemas de recirculación en estanques (PRAS). 

Los investigadores de la Shanghai Ocean University y de la Chinese Academy of Fishery Sciences han estudiado cómo la ubicación y el ángulo de los aireadores de paletas influyen en las condiciones hidrodinámicas de tanques de recirculación achaflanados (RAT) de gran tamaño (15 m de lado), con el objetivo de mejorar la eficiencia energética, la recolección de residuos y la uniformidad en la distribución del oxígeno disuelto.

La importancia de la hidrodinámica y los aireadores de paletas

En los PRAS, los aireadores de paletas son herramientas vitales. No solo incrementan los niveles de oxígeno disuelto, esencial para la respiración de los organismos acuáticos, sino que también generan corrientes de agua controlables. Estas corrientes son fundamentales para distribuir de manera homogénea los nutrientes, evitar el estancamiento del agua y la acumulación de contaminantes, reduciendo así los riesgos de deterioro de la calidad del agua y la proliferación de enfermedades. Por lo tanto, un entendimiento profundo de cómo estos aireadores afectan la hidrodinámica es clave para diseñar sistemas de acuicultura más eficientes y sostenibles.

Investigaciones previas se habían centrado principalmente en la forma, tamaño y pendiente del fondo de los RAT industriales, así como en la optimización de las tuberías de entrada. Sin embargo, el conocimiento sobre los PRAS, particularmente con la incorporación de aireadores de paletas, era limitado, y no se habían dilucidado completamente los mecanismos por los cuales los parámetros de colocación de los aireadores afectan la hidrodinámica en RATs de gran escala.

¿Cómo se estudió el flujo del agua?

Para abordar estas incógnitas, los investigadores desarrollaron un modelo numérico tridimensional del flujo de agua en los RAT. La fiabilidad de este modelo fue validada mediante comparaciones con un modelo a escala experimental. Ellos analizaron diversos parámetros hidrodinámicos, incluyendo la uniformidad del flujo, la velocidad, la vorticidad, el número de Froude (que relaciona las fuerzas de inercia y gravedad) y el coeficiente de utilización efectiva de la energía.

El estudio se enfocó en un tanque cuadrado con esquinas achaflanadas de 15 metros de lado, parte de un sistema PRAS dividido en módulos con distintas funciones: zona de purificación con plantas acuáticas, zona de cultivo de peces omnívoros y zona de acuicultura de alta densidad (compuesta por seis tanques como el estudiado). El agua residual del tanque de alta densidad, cargada con heces de peces y alimento no consumido, se descarga por un drenaje central inferior hacia un tanque de sedimentación. Luego, pasa por la zona de purificación y la de peces omnívoros antes de ser bombeada de nuevo a los tanques de alta densidad, completando el ciclo.

En el modelo numérico, los científicos utilizaron el método de marcos de referencia múltiples (MRF) para simular el dominio rotatorio de los impulsores del aireador de paletas, una técnica que ofrece eficiencia computacional y buena adaptabilidad de malla. Ellos investigaron dos variables geométricas clave: el ángulo (θ) y la distancia (l) de colocación del aireador con respecto a la pared más cercana del tanque. Además probaron cinco ángulos diferentes combinados con tres distancias distintas, generando un total de 15 modelos computacionales. La profundidad de inmersión de las palas del aireador se fijó en 2/3 de su longitud.

Impacto de la posición del aireador

Los resultados del estudio revelaron información valiosa sobre cómo la configuración de los aireadores de paletas puede optimizar el funcionamiento de los tanques:

• Velocidad y mezcla del agua:
  
  • Al incrementar el ángulo y la distancia de colocación del aireador, aumenta la velocidad promedio del flujo de agua dentro del RAT y se fortalece la mezcla del agua. Esto genera un patrón de velocidad con valores más bajos en el centro y más altos en la periferia del tanque.
  • Esta distribución de velocidades es beneficiosa porque mejora la intensidad del flujo secundario, lo que ayuda a que las partículas sólidas sean arrastradas por la corriente, evitando su sedimentación en el fondo y promoviendo su descarga a través del drenaje central. Así, se mejora la eficiencia de autolimpieza del tanque.
  • Una buena mezcla también asegura una distribución uniforme de nutrientes y oxígeno, crucial para la salud de los peces.

• Formación de zonas problemáticas:
  
  • Se observó una advertencia importante: cuando la distancia de colocación del aireador es L/4 (donde L es la longitud del lado del tanque) y el ángulo de colocación excede los 30∘, se forma una zona turbulenta de baja velocidad cerca de la esquina del tanque próxima al aireador.
  • Esta zona de baja velocidad puede obstaculizar la descarga de partículas de desecho, ya que estas tienden a acumularse en dichas áreas. La formación de esta zona se debe a que el aireador crea una cavidad delante de su dirección de rotación, bloqueando el flujo en el área entre el aireador y la esquina achaflanada.

• Eficiencia energética y condiciones óptimas:
  
  • La investigación identificó configuraciones que mejoran notablemente la utilización de la energía y el rendimiento de la mezcla del agua. Específicamente, cuando la distancia de colocación del aireador es L/6 o L/4 y el ángulo se encuentra en el rango de 20∘ a 30∘ (20∘<θ<30∘), se observan mejoras significativas.
  • En estas condiciones, tanto el coeficiente de utilización efectiva de la energía como el número de Froude aumentan con el incremento del ángulo y la distancia, alcanzando valores máximos de 2.98 y 0.701, respectivamente. Un coeficiente de utilización de energía más alto significa que se aprovecha mejor la energía suministrada por el aireador para la circulación del agua.
  • El número de Froude, en general, se mantuvo por debajo de 1 en los diferentes escenarios, indicando un estado de flujo lento, lo cual es favorable para la supervivencia de los peces y el transporte de nutrientes.
  • Se encontró una correlación positiva fuerte entre el ángulo de colocación del aireador y el coeficiente de utilización efectiva de la energía cuando la distancia de colocación es L/8 o L/6 (coeficiente de Pearson > 0.9). Esto sugiere que, en estas distancias, aumentar el ángulo puede mejorar eficazmente la eficiencia energética del tanque. Sin embargo, a una distancia de L/4, esta correlación es más débil (coeficiente de Pearson de 0.441), indicando un flujo interno más caótico y una menor predictibilidad en la respuesta hidrodinámica al ajustar el ángulo.

• Uniformidad del flujo:
  
  • La uniformidad del flujo, un indicador clave de la calidad del ambiente acuático, generalmente aumenta con el incremento del ángulo de colocación del aireador (cuando la distancia es fija). Una mayor uniformidad del flujo mejora la eficiencia de la circulación del agua y, por ende, el ambiente de cultivo.
  • No obstante, ángulos muy grandes combinados con distancias mayores (más cerca del centro del tanque) pueden hacer que el flujo de alta velocidad generado por el aireador interfiera con el flujo de entrada de agua al tanque, reduciendo la uniformidad y causando pérdidas de energía cinética.

Implicaciones para la acuicultura

Los hallazgos de este estudio tienen implicaciones directas y prácticas para el diseño y la operación de tanques de recirculación en la acuicultura:

• Optimización del diseño: Proporciona una base teórica para seleccionar la ubicación y el ángulo óptimos de los aireadores de paletas en RATs de gran escala, lo que puede llevar a diseños más eficientes desde el punto de vista energético y de la eliminación de residuos.
• Mejora de la calidad del agua: Al promover una mejor mezcla y la descarga eficiente de partículas, se puede mantener una calidad de agua superior, lo que se traduce en peces más sanos y una mayor productividad. La distribución uniforme de oxígeno y nutrientes es esencial.
• Reducción de costos operativos: Una mayor eficiencia energética en la circulación del agua puede significar un menor consumo de energía y, por lo tanto, menores costos operativos para los productores acuícolas.
• Sostenibilidad: Al mejorar la eficiencia de los sistemas y la gestión de residuos, se contribuye a una acuicultura más sostenible y con menor impacto ambiental.

Conclusión y perspectivas futuras

Este estudio demuestra que la correcta configuración de los aireadores de paletas, considerando tanto su distancia a la pared como su ángulo de colocación, es fundamental para optimizar la hidrodinámica en tanques de recirculación acuícola de gran escala. Los resultados indican que, si bien aumentar el ángulo y la distancia del aireador generalmente mejora la velocidad del agua y la mezcla, existen umbrales (distancia L/4 y ángulo >30∘) donde pueden formarse zonas de baja velocidad perjudiciales. Se identificaron rangos óptimos (distancia L/6 o L/4 y ángulo entre 20∘ y 30∘) que maximizan la eficiencia energética y la mezcla, favoreciendo la autolimpieza del tanque.

La investigación enriquece el conocimiento sobre la interacción entre los aireadores de paletas y el flujo de agua en los PRAS, ofreciendo directrices prácticas para el diseño y la operación de sistemas de acuicultura más eficientes y ecológicos.

Los autores sugieren que investigaciones futuras deberían enfocarse en desarrollar métodos de cálculo numérico de alta precisión para flujos trifásicos (gas-líquido-sólido) dentro de los RATs. Asimismo, se propone investigar el impacto de otros parámetros de diseño de los aireadores de paletas, como el número de álabes del impulsor y la geometría de las palas, sobre las características hidrodinámicas, el transporte de oxígeno disuelto y la migración de contaminantes. Estos avances continuarán impulsando el desarrollo de una acuicultura más eficiente, verde y sostenible.

El estudio fue financiado por Science and Technology Commission of Shanghai Municipality, el National Key Research and Development Program of China, y la Shanghai Municipal Education Commission.

o
Jun Zhang
Shanghai Ocean University, College of engineering science and technology
Shanghai 201306, China
Email: [email protected]

Referencia
Zhang, J., Zhang, Y., Guo, J., Liu, Z., Cao, S., & Liu, X. (2025). Hydrodynamics of large-scale recirculating aquaculture tanks equipped with paddlewheel aerators. Aquacultural Engineering, 111, 102569. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2025.102569