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Den Wärmeübergang optimieren

Einfluß der Wasserqualität auf die Betriebskosten einer Kälteanlage
Den Wärmeübergang optimieren

Die Wirtschaftlichkeit einer Kälteanlage ist unter anderem abhängig vom Stromverbrauch. Verschmutzte Wärmetauscherflächen verschlechtern den Wärmeübergang und erhöhen damit die nötige Antriebsenergie des Verdichters. Eine sorgfältige Kühlwasserpflege schützt die Oberflächen vor Korrosion und Belegung.

Dipl.-Ing. Klaus Reisner, Dr. Wolfgang Hasse

Verdichter-Kältemaschinen werden in den unterschiedlichsten Bereichen der Industrie eingesetzt. In der Umwelttechnik beispielsweise lassen sich mit ihnen Schadstoffe ausfrieren oder biologische Stufen temperieren. Die Abwärme aus der Anlage ist für Heizzwecke interessant. Die Betriebskosten einer Kälteanlage ergeben sich aus dem Stromverbrauch und den Kosten für Wartung und Instandhaltung. Dabei hat die Kühlwasserpflege einen entscheidenden Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit der Verdichter-Kälteanlage. Der Kältekreisprozeß besteht aus dem Kühlmittelkreislauf mit Verdichter, Kondensator, Expansionsventil und Verdampfer. Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und komprimiert es in den Kondensator. Dort wird das Kühlmittel bei hohem Druck kondensiert und gibt dabei Wärmeenergie an die Umgebung ab. Das flüssige Kältemittel gelangt durch das Expansionsventil in den Verdampfer. Hier siedet es bei niedrigem Druck und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung auf. Die im Kondensator abgegebene Wärmeenergie setzt sich zusammen aus der aufgenommenen Wärmeenergie und der Antriebsenergie des Verdichters.
Die Leistungszahl e der Kälteanlage ist als Verhältnis zwischen der abtransportierten Wärme und der Antriebsenergie des Verdichters definiert. Sie gibt an, um welchen Betrag die Kälteleistung der Anlage die Antriebsleistung des Verdichters übersteigt. Je weiter Verdampfungs- und Kondensationstemperatur auseinander liegen, desto mehr Energie ist nötig, um eine bestimmte Kälteleistung zu erzielen.
Verschmutzung erhöht Energiebedarf
Die Wärmeübertragung wird durch das Material, die Wandstärke, die Größe und die Struktur der Wärmetauscherflächen sowie die Strömungsverhältnisse bestimmt. Eine große Oberfläche und turbulente Strömung verbessern den Wärmeübergang. Wasser ist ein beliebter Wärmeträger, es ist günstig, sicher verfügbar und physiologisch unbedenklich. Die im Wasser mitgeführten Mikroorganismen und Ionen können jedoch zu Systemverkeimung, Korrosion und Kalkablagerungen führen. Die anfallenden Wärmemengen lassen sich dann nicht wie geplant abführen, was einen Anstieg der Beriebskosten mit sich bringt. Bei der Auslegung von Wärmetauschern und Kälteanlagen wird mit dem Sicherheitszuschlag die Verschmutzung der Oberflächen nur bis zu einem gewissen Grad berücksichtigt.
Geringe Kälteleistung
Besonders ungünstig auf die Wärmeübertragung wirken sich bakterielle Beläge auf der Oberfläche aus (Abb. 1). Die Beläge verschließen die Oberflächenstruktur und verkleinern so die Wärmetauscherfläche. Dies beeinträchtigt auch die Strömungsverhältnisse. Gleichzeitig besitzen die Beläge eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Die Tabelle zeigt den Einfluß der bakteriellen Belegung des wassergeführten Verdampfers auf die Verdampfungstemperatur, die verfügbare Kälteleistung und den Sromverbrauch. Die Anlage ist für 100 kW mit einer Sicherheit von 16,9% ausgelegt. Bei einer Schichtdicke von 0,1 mm ist die Sicherheit fast ausgeschöpft, der Stromverbrauch liegt 8% über dem ursprünglichen Wert. Ist die Bakterienschicht 1 mm dick, kann die geplante Kälteleistung nicht mehr aufgebracht werden, und der Stromverbrauch liegt 36% über dem Ausgangswert.
Konstruktive Maßnahmen
Die Kälteanlage KWRS 220 ( Abb. 2) ist aus hochwertigen, aufeinander abgestimmten Materialien konstruiert, um Korrosion und Ablagerungen auf der Oberfläche weitgehend zu vermeiden und damit die Betriebskosten gering zu halten. Der Kühlwasserkreislauf zum Beispiel wird vollständig in Kunstoffrohren aus Polypropylen (PP) geführt. Der Wassertank zur Speicherung des Frischwassers ist ebenfalls aus PP gefertigt. Die glatten, lichtundurchlässigen Oberflächen erschweren das Anlagern von Feststoffen und die Vermehrung von Keimen. Vor dem Eintritt in die Anlage wird das Wasser mit einem Filter von anorganischen und organischen Schwebstoffen befreit. Zusätzlich wird es, abhängig von den Inhaltsstoffen, mit speziellen Konditionierungsmitteln, aus einer Dosierstation versetzt.
Der Rohrbündelverdampfer aus Kupfer ist von einer Kunststoffhülle umgeben. Das besondere an der Konstruktion ist die leicht abziehbare Verdampferhülle (Abb. 3). Der Verdampfer läßt sich so mechanisch von inerten Feststoffen befreien.
Behandlung des Kühlwassers
In den Kühlkreislauf sollte feststoff- und keimfreies Wasser eingeleitet werden. Zudem sollte es einen pH-Wert von 8 bis 9 und eine Wasserhärte von ca. 8°dH und möglichst wenig gelöste Salze und Chloride enthalten. Die Wasservorbehandlung erfolgt mit Bioziden, Korrosionsinhibitoren, Dispergatoren und Härtestabilisatoren und ist auf das System, die eingebauten Materialien, die Wasserqualität und die Fahrweise abgestimmt.
Ist beispielsweise die Konzentration an Keimen im Wasser sehr hoch, bilden sich die oben erwähnten Bakterienbeläge, die die Oberflächen im Wärmetauscher isolieren (Abb. 4). Dadurch wird einerseits die Schutzschichtbildung auf der Metalloberfläche gestört, zum anderen wirken die Stoffwechselprodukte der Bakterien zum Teil äußerst korrosiv. Die regelmäßige Zugabe von Bioziden wirkt der Systemverkeimung entgegen. Je nach zugesetztem Stoff werden die Keime abgetötet oder am Wachstum gehindert und vergiften sich dann selbst. Durch Zusatz von Korrosionsinhibitoren lassen sich auf der Metalloberfläche fest haftende, dichte Schutzschichten aufbauen. Korrosionsschutzmittel stellen die Wasserqualität so ein, daß selbst unter ungünstigen Bedingungen die Korrosionsrate gering bleibt. Durch Dispergatoren und Härtestabilisatoren (wasserlösliche Polymere) werden anorganische Ablagerungen vermindert. Sie tragen wesentlich zu sauberen Oberflächen und fest haftenden Schutzschichten bei. Dispergierte Feststoffe lagern sich nur sehr langsam wieder ab.
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