Detektion von Fouling

Fouling ist in der Prozesstechnik ein dauerhaftes Problem und verursacht Schätzungen zufolge Kosten von 0,25 % des Bruttosozialproduktes aufgrund von Überdimensionierung, Stillständen und erhöhtem Energieverbrauch [1]. Auch Verdunstungskühlanlagen (VKA, i.d.R. als Kühltürme bezeichnet), wie sie in Kälteanlagen zum Abführen der Kondensatorwärme an die Umgebung häufig eingesetzt werden, sind für Fouling anfällig. Weil diese Anlagen im Betrieb schlecht zugänglich sind, wird im Folgenden untersucht, ob über eine Messung der Übertragungsleistung eine Detektion von Fouling möglich ist. Die Arbeiten konzentrieren sich dabei auf Kühltürme geschlossener Bauart, d.h. mit durch Wärmeübertrager entkoppeltem Kühlkreis und separatem Sprühkreis.

Zum Einfluss von luftseitigem Fouling auf die Leistungsfähigkeit von geschlossenen Kühltürmen sind in der Literatur wenig belastbare bzw. kongruente Daten zu finden. Angaben aus zwei Quellen sind in Bild 1 dargestellt. Unter der Annahme, dass die Definition von Effektivität in [2] grundsätzlich zu der Leistungsangabe in [3] passt, ergibt sich eine Abweichungen um den Faktor 7 bei 0,1 mm Schichtdicke.

Ziel der vorgestellten Arbeiten ist somit zunächst, den Einfluss von Fouling – hier am Beispiel von Calciumcarbonat (Kalk) – quantitativ zu erfassen.

Methodik

Versuchsaufbau

Um den Einfluss von Fouling über die Übertragungsleistung zu überprüfen, wurde ein Versuchsstand eingerichtet, an dem ein geschlossener Kühlturm im Betrieb kontinuierlich vermessen wird (s. Bild 2). Auf der Kühlwasserseite sind der Volumenstrom bis ca. 5.300 l/h und die Eintrittstemperatur in den Kühlturm bis ca. 60 °C regelbar. Luftseitig wird der Kühlturm mit Umgebungsluft beaufschlagt, d.h. Temperatur und Feuchte können nicht beeinflusst werden. Jedoch ist der Kühlturmventilator über einen Frequenz­umrichter im Bereich von 20 % bis 100 % regelbar. Die Sprühpumpe kann an- bzw. ausgeschaltet aber nicht geregelt werden.

Für die Versuche wurde ein marktverfügbarer geschlossener Kühlturm mit 35 kW nennleistung ausgewählt: Gohl VK8/5. Die Wassernachspeisung erfolgt bei diesem Modell über einen Schwimmerschalter im Sumpf, welches ein Magnetventil ansteuert.

Die verbaute Sensorik zeichnet 1-Minutenwerte auf. Die Messstellen sitzen einerseits im Kühlkreislauf (Ein-/Austrittstemperatur sowie Volumenstrom), zusätzlich werden auch die Zuluftbedingungen (Temperatur, Feuchte, Druck) sowie der Betriebszustand der Sprühpumpe (an/aus) und die elektrische Leistungsaufnahme des Ventilators gemessen. Die wichtigsten technischen Daten der Messtechnik sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Die Absalzsteuerung erfolgt anhand der Leitfähigkeit über eine Messeinrichtung der Fa. Dr. Hartmann Chemietechnik. Diese erfasst zudem kontinuierlich den pH-Wert sowie das Redox-Potenzial. Zur Kontrolle des biologischen Wachstums wird regelmäßig Biozid zum Sprühwasser dosiert. Selbstverständlich werden auch die Anforderungen nach der 42. BImSchV eingehalten.

Versuchsdurchführung

Charakterisierung im unverschmutzten (Auslieferungs-)Zustand

Zu Beginn der Messkampagne wurde der Kühlturm an einer Reihe von Betriebspunkten vermessen. Hierzu wurden die in Tabelle 1 dargestellten Parameter variiert.

Vermessung bei verkalktem Rohrbündel

Im Anschluss an die Messungen im unverschmutzten Zustand ging der Kühlturm in den Dauerbetrieb über. Dabei wurde das Sprühwasser zunächst auf Stadtwasser mit ~12 °dH und die Eindickung auf 4 eingestellt. Da der Aufwuchs von Kalk langsamer als erwartet voranging, wurde später mit höherer Eindickung sowie Zugabe von Natriumhydrogencarbonat und Calciumchloridlösung zum Zusatzwasser experimentiert.

Zur Überprüfung der Übertragungsleistung im Nassbetrieb wurde zweimal wöchentlich eine Referenz-Messsequenz, welche auch im unverschmutzten Zustand vermessen wurde, abgefahren (30 °C Wassereintrittstemperatur, 4.200 l/h Kühlwasservolumenstrom, alle vier Ventilatorstufen). Zusätzlich wurde einmal wöchentlich eine Referenzsequenz (39 °C Wassereintrittstemperatur, 4.200 l/h Kühlwasservolumenstrom, alle vier Ventilatorstufen) im Trockenbetrieb durchgemessen.

Ergebnisse und Interpretation

Referenzmessungen im unverschmutzten Zustand

Trockenbetrieb

Bild 3 zeigt den zeitlichen Verlauf ausgewählter Messstellen während der Referenzmessungen im Trockenbetrieb. Deutlich zu erkennen sind die vier Ventilatordrehzahlstufen, die ein stufenförmiges Profil der Ventilatorstromaufnahme bewirken (grüne Linie). Die Umgebungstemperatur (blaue Linie) weist die zu erwartenden tageszeitlichen Schwankungen auf, Sprünge sind auf herausgefilterte Unterbrechungen im Messbetrieb zurückzuführen. Die Sollwerte für das Kühlwasser werden vom Testaufbau stabil gehalten.

Bei der Auswertung der Daten zeigte sich, dass der Umgebungstemperatursensor anfangs nicht ausreichend gegen Strahlungseinflüsse abgeschirmt war. Daher wurden Messdaten bei Sonnenschein herausgefiltert und der Sensor für die nachfolgenden Messungen mit einer ventilierten Strahlungshütte versehen. Deutlich instationäre Betriebszustände infolge von Sollwertänderungen wurden ebenfalls aus den Daten entfernt. Dazu werden für die Umgebungstemperatur, sowie die Kühlwassereintrittstemperatur die Standardabweichung über drei aufeinander folgende Werte berechnet und Messwerte, die über dem doppelten der mittleren Standardabweichung liegen, herausgefiltert. Danach verbleibt eine Datenbasis von 2.340 1-min-Werten.

Für eine erste Bewertung der Messdatenqualität wurde die in [4] vorgestellte Methode herangezogen. Danach ist für Luft-Wasser-Wärmeübertrager mit erzwungener Luftströmung ein definierter Zusammenhang zwischen erzielbarem Abkühlgrad (= Nutzen) und dafür erforderlicher Ventilatorleistung (= Aufwand) zu erwarten, sofern der Volumenstrom auf der Wasserseite konstant ist. Die absoluten Betriebsbedingungen (insb. Luft- bzw. Wassertemperaturen) haben auf das Ergebnis keinen relevanten Einfluss. In Bild 4 ist dieser Zusammenhang für die Messungen mit 4.200 l/h Kühlwasservolumenstrom eindeutig dargestellt.

Im nächsten Schritt wurde ein einfaches Rechenmodell für Trockenrückkühler in Anlehnung an [5] anhand der Messdaten kali­briert. Der Luftvolumenstrom, welcher nicht gemessen für das Modell aber erforderlich ist, wird unter Annahme eines linearen Zusammenhangs aus dem Steuersignal für den Ventilatorfrequenzumrichter und den Nennluftvolumenstrom aus dem Datenblatt berechnet. Der Einfluss variierender Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Druck) sowie der Betriebsweise (nass/trocken) wird dabei vernachlässigt.

Bild 5 zeigt, dass 95 % der berechneten Werte eine relative Abweichung zu den gemessenen unter 10 % aufweisen (min: -16 %, max. +17 %). Die gute Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Daten lassen erwarten, dass es zur Detektion von Leistungsabweichungen aufgrund von Fouling geeignet ist.

Nassbetrieb

Die Charakterisierung im unverschmutzten Zustand im Nassbetrieb ist analog zum Trockenbetrieb dargestellt. Bild 6 zeigt wieder den zeitlichen Verlauf einiger relevanter Messgrößen. Dabei ersetzt die Feuchtkugeltemperatur (T_FK), die nun die Kühlgrenztemperatur darstellt, die Trockenkugeltemperatur (T_Umg).

Die graphische Bewertungsmethode nach [4] wird in Bild 7 auch auf diese Messungen angewandt. Da die Wasseraufnahmekapazität der Luft stark temperaturabhängig ist, muss diese in der Darstellung berücksichtigt werden. Daher werden die Ergebnisse gruppiert nach der mittleren spezifischen Wärmekapazität gesättigter Luft bei den jeweiligen Betriebsbedingungen (cp_sat). Trotz der relativ groben Gruppierung stellen sich dabei wieder eindeutige Trends mit relativ geringer Streuung ein.

Im nächsten Schritt wurde wieder das Rechenmodell mit den Messdaten kalibriert. Gegenüber den trockenen Messungen zeigt sich eine etwas größere Streuung (siehe Bild 8, min: -25 %, max: +36 %). Jedoch liegt die Abweichung der berechneten Werte gegenüber den gemessenen in 98 % der Fälle unter 10 %. Ein möglicher Grund für dieses bessere Ergebnis im Gegensatz zum Trockenbetrieb ist die größere Datenbasis, die zur Kalibrierung verwendet wurde (8.365 gegenüber 1.776 Minutenwerte).

Messungen mit verkalktem Rohrbündel

Nach den Messungen im unverschmutzten Zustand wurde der Kühlturm, wie unter Kapitel „Vermessung bei verkalktem Rohrbündel“ beschrieben, mehrere Monate mit kalkhaltigem Wasser betrieben. Der Zuwachs von einer Kalkschicht auf den zugänglichen Rohren wurde regelmäßig sowohl optisch als auch durch Schichtdickenmessungen nach dem Induktionsprinzip verfolgt. Bei den nachfolgend ausgewerteten Messungen beträgt die Kalkschicht in der obersten Rohrreihe ca. 1,6 mm, in der untersten Reihe ca. 0,6 mm. Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass das Wasser von oben über dem Rohrbündel versprüht wird, wodurch das Sprühwasser mit der höchsten CaCO₃-Konzentration auf die wärmsten Rohre trifft, was den Ausfall von Kalk begünstigt.

Für die folgenden Auswertungen werden die Referenzmessungen (trocken/nass) über einen Zeitraum von vier Wochen am Ende des Versuchszeitraums herangezogen.

Trockenbetrieb

Die Auswertung im Trockenbetrieb (nach vorheriger Verschmutzung im Nassbetrieb) erfolgte im ersten Schritt anhand der graphischen Methode durch Auftragen von Abkühlgrad und Ventilatorleistung gegeneinander. Wie in Bild 10 zu sehen ist, lässt sich dabei keine eindeutige Reduktion der Übertragungsleistung (= Verschieben des Trends nach links, zu niedrigeren Abkühlgraden) ausmachen. Jedoch wird deutlich, dass die Leistungsaufnahme des Ventilators deutlich unter den Anfangswerten liegt. Die Auswertung der Messdaten hat gezeigt, dass dies ein kontinuierlicher Trend über den gesamten Versuchszeitraum ist. Grund dafür ist vermutlich der steigende Druckverlust über das Rohrbündel, welcher bei Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Flügeln, wie im Kühlturm verbaut, typischerweise eine Abnahme des Luftvolumenstroms und auch der Leistungsaufnahme bewirkt.

Im nächsten Schritt wurde das Rechenmodell, das zuvor mit den Messdaten des unverschmutzten Betriebs kalibriert wurde, mit den am Eintritt des verschmutzten Kühlturms gemessenen Werten beaufschlagt. Bild 11 zeigt, dass es nun die Übertragungsleistungen deutlich zu hoch (im Mittel 15 %) berechnet. Die Differenz entspricht der Leistungsreduktion, welche auf die Kalkablagerungen am Rohr zurückgeführt werden. Die Tatsache, dass die Abweichungen bei 25 % Ventilatorsignal höher ausfallen als bei den höheren Stufen, deuten darauf hin, dass die vereinfachte Annahme des linearen Zusammenhangs zwischen Stellsignal und Luftmassenstrom im verschmutzten Betrieb und/oder wegen der veränderten Leistungsaufnahme ungenauer wird.

Nassbetrieb

Die graphische Auswertungsmethode stößt bereits bei den trockenen Messungen an ihre Grenzen. Aufgrund des zusätzlichen Freiheitsgrades cp_sat, bedingt durch die nichtlinearen Eigenschaften feuchter Luft, ist sie für den Nassbetrieb noch weniger geeignet. Daher wird an dieser Stelle auf eine entsprechende Darstellung verzichtet und direkt die Ergebnisse der modellbasierten Auswertung vorgestellt. Dazu wurde wieder das mit Messdaten aus dem unverschmutzten (Nass-)Betrieb kalibrierte Rechenmodell mit den im verkalkten Zustand gemessenen Eintrittsbedingungen betrieben und in Bild 12 die gemessene der berechneten Übertragungsleistung gegenübergestellt. Analog zu den Ergebnissen im Trockenbetrieb zeigt sich auch hier eine Leistungsabnahme gegenüber den zu erwartenden Werten – diesmal um 16 %. Insgesamt fällt die Streuung dabei geringer aus. Die größten Abweichungen treten wieder bei der geringsten Ventilatorstufe auf. Folglich sollte der Ansatz zur Berechnung der geförderten Luftmenge verfeinert werden.

Zusammenfassung

Am Fraunhofer ISE wurde ein geschlossener Kühlturm über einen Zeitraum von mehreren Monaten betrieben und vermessen, um den Einfluss von typischem Kristallisationsfouling in Form von Kalkablagerungen auf die Übertragungsleistung zu untersuchen. Nach einer messtechnischen Charakterisierung des unverschmutzten Kühlturms zu Beginn des Versuchszeitraums wurde dieser daher gezielt mit Calciumcarbonat-haltigem Wasser betrieben und so ein Belag von 0,6 mm bzw. 1,6 mm (unten/oben) auf dem Rohrbündel erzielt.

Durch die modellgestützte Auswertung konnte gezeigt werden, dass sich die Übertragungsleistung dadurch sowohl im Nass- als auch im Trockenbetrieb um rund 15 % reduziert hat. Dieser Wert liegt deutlich unter den in der Literatur veröffentlichten Angaben. Durch eine Anpassung des Modellansatzes besteht zusätzlich Potenzial, die Genauigkeit zu verfeinern. Die graphische Auswertungsmethode nach [4] hat sich dagegen als nicht verlässlich erwiesen.

Nachdem sich eine Detektion von (Kristallisations-)Fouling anhand der Leistungsabnahme als grundsätzlich machbar erwiesen hat, kann die Methodik nun auf Messdaten aus dem Feld angepasst und auf weitere Verdunstungskühlanlagen ausgeweitet werden. Gegebenenfalls kann die Betriebsüberwachung auch auf weitere Betriebsparameter ausgeweitet werden.

Danksagung: Die vorgestellten Arbeiten werden im Rahmen des Projekts WCS-energy mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert (FKZ01LY1618).