Saubere Kühlung für reines Licht

Dipl. Ing. Alexander Matosovic

Mit „Bessy“, dem Berliner Elektronensynchrotron, beschleunigen Wissenschaftler Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dieses besonders intensive Licht der Synchrotronstrahlung nutzen die Forscher für Experimente, die der Materialforschung und vor allem der Grundlagenforschung dienen. Ein Schwerpunkt ist die Röntgenmikroskopie, die in vielen Gebieten der Biologie und Medizin angewandt wird.

Die Synchrotronstrahlungsquelle setzt im Hochvakuum aus einer Glühkatode Elektronen frei, die durch eine Anodenspannung von etwa 10 000 V beschleunigt werden. Die zweite Beschleunigungsstufe ist ein Mikrotron, dessen Herzstück ein kleiner, hochfrequenzlinearer Beschleuniger ist. Die Elektronen werden im Magnetfeld des Mikrotrons auf Bahnen mit immer größer werdendem Umfang gehalten und schließlich wird eine Energie von 50 Mio. eV erreicht. Nun gelangen die Teilchen in eine ringförmige Vakuumkammer, die einen Umfang von 96 m hat. Die Elektronen werden durch starke Magnete auf einer Bahn innerhalb des Vakuumrohres gehalten und erneut durch Wechselfelder beschleunigt.

Dieser Beschleunigungszyklus wiederholt sich mit 10 Hz. Das bedeutet zehnmal pro Sekunde werden etwa 10 Mrd. Elektronen auf Endenergie beschleunigt. Der eigentliche Speicherring misst im Umfang 240 m. Die Synchrotronstrahlung verlässt den Speicherring durch bis zu 40 m lange Strahlrohre und gelangt über Spiegel und zu den einzelnen Experimentierstationen.

So hochkomplex die Anlage des Elektronenbeschleunigers ist, so simpel und einfach war ihr Problem im Bereich des offenen Kühlturmsystems: Obwohl die Kühltürme in einer extra angefertigten Vertiefung des Gebäudes platziert waren, kam es hier immer wieder zu starken Verschmutzungen durch Umwelteinflüsse. Betreiber eines Kühlturmsystems kennen die Problematik mit Blättern, Insekten, Pollen, Federn, Vogelkot oder sonstigen Verunreinigungen, die durch die Luft oder durch Tiere dem System zugetragen werden. So waren in dem Kühlsystem auch eine große Anzahl von Insekten ein häufiges Problem, das zur Verstopfung der Einfachfilter geführt hatte. Die manuelle Abreinigung und der damit verbundene Zeitaufwand und das Risiko von Kühlkreislaufproblemen widersprach dem Hochtechnologie-Umfeld der Anlage.

Mit Hilfe des automatischen selbstreinigenden Filters F450 wird das Kühlwassersystem des Elektronenspeicherringes effektiv geschützt. Dieser Filter reinigt ohne mechanische Berührung und Prozessunterbrechung bei kontinuierlicher Filtration.

Im F450 Filter sorgen die Geometrie sowie die Anordnung der Flansche dafür, dass sich Verunreinigungen mit einem definierten Verlauf vom Ende des Filtersiebes bis zum Eintritt ablagern: Die Strömungsgeschwindigkeit im Filterinneren nimmt ab, und der statische Druck am Filtereintritt steigt solange, bis der Differenzdruckschalter den automatischen Spülvorgang initiiert, ohne dass die Filtration dabei unterbrochen wird.

Der Selbstreinigungsprozess wird durch die Nutzung der Strömungsgeschwindigkeitserhöhung und der damit verbundenen Druckverhältnisse am Sieb bewirkt. Nach dem Bernoullischen Gesetz ist die Summe aus dynamischem und statischem Druck in strömenden Flüssigkeiten konstant. Das bedeutet, bei Absenkung der Strömungsgeschwindigkeit steigt der statische Druck und bei Erhöhung der Geschwindigkeit fällt der statische Druck. Diese Gesetzmäßigkeiten macht sich der Filter zunutze. Im axial vom Medium angeströmten Filter wird von innen nach außen filtriert, worauf das gereinigte Medium den Filter über einen radial angeordneten Austrittsflansch verlässt. Durch die von der Geometrie und den Anordnungen der Flansche bewirkten Druckverhältnisse folgen Schmutzanlagerungen an der Siebinnenseite einem definierten Verlauf. Das Sieb belegt sich zuerst am Ende des Siebeinsatzes und wird mit fortschreitender Betriebszeit auch bis zum Eintritt belegt. Durch die Geometrie und die dadurch hohe Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt herrscht im Sieb zunächst ein geringerer Druck als außerhalb des Siebes. Während sich das Sieb von oben nach unten immer mehr zusetzt, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit immer weiter ab. Mit nachlassender Strömungsgeschwindigkeit steigt nach Bernoulli der Druck im Sieb an und ist nach rund einem Drittel der Sieblänge innen höher als außen.

Nach Erreichen eines Differenzdruckes von 0,11 bar wird durch einen Differenzdruckschalter die in zwei Phasen ablaufende Selbstreinigung durch Spülung ausgelöst. Zunächst wird die Spülarmatur gegen Atmosphärendruck geöffnet und der Spülstrom freigegeben. Die leicht abspülbaren Grobpartikel heben sich dadurch von der Filterfläche ab, strömen in Richtung Schmutzausgang und verlassen den Filter über die Spülarmatur. Durch diese Maßnahme ergibt sich aber noch kein Rückspüleffekt in der Filterfläche. Die erste Spülphase erstreckt sich über einen Zeitraum von etwa fünf Sekunden. Die Spülmenge wird durch Anpassung des Querschnitts der Spülarmatur auf die Betriebsbedingungen abgestimmt.

Die zweite Phase nutzt ebenfalls das Bernoulli-Prinzip. Angetrieben von einem Druckluftzylinder wird eine besonders ausgeformte Spülscheibe an der Siebinnenfläche vorbeigeleitet. Durch die Spülscheibe wird der Strömungsquerschnitt im Siebinnern reduziert, was eine partielle Geschwindigkeitssteigerung zwischen Scheibe und Filtereinsatz bewirkt. Der statische Druck wird in diesem Bereich durch die Geschwindigkeitserhöhung drastisch reduziert. Der entstehende örtliche Druckabfall zusammen mit der nach der Spülscheibe entstehenden Kavitation hat ein regelrechtes innenseitiges Absaugen des Filtereinsatzes zur Folge. Die Ablagerungen werden zur Schmutzseite aus den Spalten herausgelöst und über das Druckgefälle der geöffneten Spülarmatur entsorgt. Um den gesamten Flüssigkeitsstrom nicht zu unterbrechen, sind Spülscheibe und Kolben so ausgelegt, dass nur ungefähr zwei Drittel der Sieblänge überstrichen werden. Der nicht überstrichene Bereich wird durch den Rückspüleffekt wegen des verringerten statischen Drucks abgereinigt.

Der Filter kann in jeder Einbaulage Prozesswasser kontinuierlich ohne Betriebsunterbrechung aufbereiten, gerade diese Möglichkeit auch den Filter beispielsweise liegend oder mit zwei 45°-Bögen inline einzubauen ist ein Vorteil im Rohrleitungsbau, insbesondere bei Nennweiten über 500 mm. Der Filter kann aus Edelstahl, Stahl beschichtet, GFK, PVC oder PP/PE hergestellt werden und ist damit auch gegen aggressive Inhaltsstoffe beständig. Die Filtergröße ist unabhängig von der Filterfeinheit und wird nur von der Durchflussleistung bestimmt. Mit Filterfeinheiten ab 150 µm bewältigt dieser Filter Wassermengen von mehr als 6000 m3/h. Die einfache Konstruktion ermöglicht den Einbau in nahezu jedes vorhandene Rohrleitungssystem. Durch den minimalen Wartungsaufwand und die leichte Bauweise ist auch die Montage an schwer zugänglichen Stellen möglich.

Mit dem integrierten Differenzdruckmesssystem ist eine Steuereinheit verbunden, die die direkte Übertragung der aufgenommenen Daten ermöglicht. Des Weiteren kann der Spülvorgang aber auch nach einem voreingestellten Zeitintervall prozessoptimiert ausgelöst werden. Ex-Schutz und Atex-Bestimmungen werden eingehalten. Für die Inbetriebnahme sind eine Versorgung mit 220-V-Strom und 4 bis 6 bar Druckluft vorgesehen.

cav 486