Sichere Kühlsysteme

Dipl. Ing. Hans-Peter Vogt

Ammoniak ist aufgrund seiner Eigenschaften der Kältemittelgruppe 2 nach §3 der UVV „Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kühleinrichtungen“ zugeordnet. Die sichere Überwachung flüssigen Ammoniaks ist eine vielfach bewährte Anwendung der Ultraschall-Durchflussmessung.

Die von Kälteanlagen ausgehenden Risiken betreffen einmal die Ebene der Produktionssicherheit und Produktqualität und zum anderen die Umwelt- und Arbeitsplatzsicherheit. Mögliche Risiken resultieren aus den Stoffeigenschaften des Kältemittels NH3. Ammoniak ist ein farbloses, leicht wasserlösliches, stark ätzendes und stechend riechendes giftiges Gas. In der Kälteanlage tritt es im flüssigen und im gasförmigen Aggregatzustand auf. Das Kältemittel Ammoniak fällt unter den Geltungsbereich der Gefahrstoffverordnung.

Gasförmige NH3-Austritte sind im Normalfall geringfügigen Volumens und einfach zu handhaben, da gasförmiges Ammoniak mit einem Wassersprühstrahl niedergeschlagen und zu Salmiakgeist/Ammoniakwasser gebunden werden kann.

Deutlich kritischer ist der Austritt flüssigen Ammoniaks. Flüssiges Kältemittel verdampft erfahrungsgemäß zu 50 % spontan (Flash-Gas). Die Dämpfe bilden mit trockener Luft brennbare bzw. explosionsfähige Gemische. Aufgrund seiner hohen Zündtemperatur (630 °C), der hohen Zündenergie und der Affinität zur natürlichen Luftfeuchtigkeit ist NH3 trotz seines Explosionsbereichs (15,4 bis 33,6 Vol.-%) als schwer entzündliches Gas einzuordnen.

Ammoniak ist in die Wassergefährdungsklasse WGK 2 eingestuft. Gelangt es in das Erdreich, besteht die Gefahr der Grundwasserverseuchung. Diese Sicherheits- und Umweltrisiken, insbesondere aber auch die Kosten effizienter Kälteerzeugung und Nutzung, erfordern eine zuverlässige und genaue Überwachung des NH3-Kreislaufs bzw. -Verbrauchs bei Produktionsverfahren wie sie unter anderem zur Düngemittelerzeugung eingesetzt werden.

Wichtig für eine kontrollierte NH3-Nutzung ist die präzise Einhaltung der für den Prozess geforderten Drücke. Das Ammoniak soll in den Kälteanlagen die Veränderung des Aggregatzustands genau am gewünschten Ort erleben und nicht schon „auf dem Weg dorthin“, bedingt z. B. durch messtechnische Einflüsse wie Druckverlust verursachende Sensoren. Die Ultraschall-Durchflussmessung verhindert das Ausgasen wie dies durch andere Messverfahren verursacht werden kann. Die Messung mit den hier beschriebenen Durchflussanalysatoren kennt keine Anlageneffizienz senkende, Energiemehrkosten verursachenden Druckverluste.

Da Ultraschallsensoren keine beweglichen Teile besitzen, die verschleißen könnten, ist ein meist kostspieliges Wartungs- und Instandhaltungsproblem schon von vorne herein gelöst. Da die Sensoren außerdem die möglichen sauren, basischen und Redox-Reaktionen des NH3 verkraften, ist eine langzeitstabile Messung auch beim Einsatz benetzter Messköpfe gegeben, was ein Industriepark-Betreiber und langjähriger Nutzer dieses Messverfahrens bestätigen kann. Die Messungen erfolgen driftfrei und erfordern keinen Nullpunktabgleich.

Aus Sicht der Installationskosten ideal ist die Möglichkeit der NH3-Messung im Clamp-On-Verfahren. Mit den schnell von außen auf die Rohrleitung aufzuspannenden Ultraschall-Messköpfen ist auch die Nachrüstung bestehender Anlagen ohne Unterbrechung des Prozesses möglich.

Zur kontinuierlichen Messung verwenden viele Anlagenbetreiber in Kombination mit dem für die Wandmontage geeigneten Durchflussmessgerät DF868 die benetzten Sensoren, die in einem Messrohr untergebracht sind. Als 2-kanaliges System kann mit dem DF868 z. B. bei Installation der Messköpfe vor und nach dem Verdampfer (oder an der Einspeisestelle und vor dem Verbraucher) der NH3-Strom auf etwaige Leckagen überprüft werden.

Für die Stichproben-Messung oder zur Kontrolle vorhandener Messeinrichtungen und zur Prüfung der Kompressorenleistung eignet sich das Handgerät PT878. Auch die Clamp-On-Lösung arbeitet mit einer Genauigkeit mit +2% der Anzeige. Eine voll gefüllte Leitung und voll ausgebildetes Strömungsprofil, gemessen am einphasigen Medium, also NH3 in der Flüssigphase, ist hier die Voraussetzung.

Aufgrund des Messprinzips können die beschriebenen Durchflussmesser natürlich auch praktisch alle anderen Flüssigkeiten – vom zähen Medium bis hin zu Reinstwasser – überwachen.

In der NH3-Gasphase wäre die Überwachung mittels des auf vergleichbarem Messprinzip beruhenden GM868 bzw. GC868 mit benetzten bzw. außen auf die Rohrleitung aufgespannten Messköpfen möglich.

Gleich an welcher Anlagenstelle gemessen wird, die Ultraschall-Durchflussmesser arbeiten bei jedem Leitungsdurchmesser genau. Zulässige Rohrnennweiten von 12,7 bis 7600 mm für DF868 und PT878 sollten für die NH3-Messpraxis genügen. Anders als bei Messblenden genügt also ein einziges Messsystem, ein Paar Messköpfe für alle Nennweiten. Auch die Strömungsgeschwindigkeit darf sich über einen sehr weiten Bereich erstrecken, nämlich von -12,2 bis +12,2 m/s.

Die Geräteelektronik des stationären DF868 kann bis zu 300 m entfernt vom Messort installiert werden. Mit derart langen Messkopfkabeln lässt sich das Gerät in vielen Fällen jenseits der Ex-Zone installieren. Ist dies nicht möglich, dann kann der Anwender die ex-geschützte Gehäuseausführung gem. Atex II 2G EEx d IIC T6 einsetzen. In Verbindung mit den Messköpfen nach Atex II 2G EEx md IIC T6 oder T3 steht dem Ex-Einsatz nichts im Weg.

Alle hier genannten Geräte nutzen das bewährte, von GE Panametrics weiterentwickelte Laufzeit-Verfahren. Es nutzt einen Mitnahme-Effekt bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen in bewegten Medien. Dieser Effekt gilt für den gesamten technisch relevanten Geschwindigkeitsbereich von Flüssigkeiten und Gasen. Damit wird ein außerordentlich breiter Messbereich mit Angabe der jeweiligen Strömungsrichtung möglich.

Zwei Ultraschall-Messköpfe bilden die Messstrecke. Diese Messköpfe dienen abwechselnd als Sender und Empfänger: Ein kurzer Wellenimpuls wird abwechselnd in und gegen die Richtung der Strömung gesendet. Das Schallwellenpaket dringt durch die Rohrwand, durch die Flüssigkeit und weiter durch die Rohrwand auf der Seite des Empfänger-Messkopfes in das gegenüberliegende Piezoelement. Die Differenz der Laufzeit der Signale, die stromauf bzw. stromab gesendet wurden, ist das Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

Kritiker könnten einwenden, dass die Schallgeschwindigkeit des zu messenden Mediums das Messergebnis beeinflusst. Richtig ist, dass die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Dichte der Flüssigkeit abhängt. Aber genau diese Einflüsse werden durch die besondere Gerätekonzeption bzw. die Geräteelektronik ausgeschlossen. Dazu trägt die dynamische Korrektur des Strömungsprofils ebenso bei wie die Erfassung der digital kodierten Signale samt der automatischen Signalüberwachung. Die angegebenen Werte zur Messgenauigkeit unterstreichen diese Aussage.

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