Reinigung lamellierter Wärmeübertrager

Gründe für die Reinigung und Reinigungsmethoden

Leistungsdaten von Wärmeübertragern werden üblicherweise an fabrikneuen Geräten gemessen und die im Laufe der Zeit zwangsläufig eintretende Verschmutzung meist über einen sogenannten Fouling-Faktor berücksichtigt. Schmutz erhöht zum einen den luftseitigen Druckverlust, da sich der freie Querschnitt für den Durchtritt der Luft verringert und zum anderen erschweren dicke Schmutzschichten den Wärmeübergang zwischen Luft und Lamellen. Um dennoch die geforderte Leistung erbringen zu können, muss mehr Energie in Kompressor und Ventilator gesteckt werden, was die Betriebskosten des Wärmeübertragers drastisch erhöhen kann. Weiterhin begünstigen Schmutzschichten die Bildung korrosiver Milieus bzw. die Vermehrung krankmachender Keime. Eine regelmäßige Reinigung des Wärmeübertragers ist somit nicht nur aus kaufmännischer Sicht, sondern auch unter hygienischen Aspekten unumgänglich.

Besen, Staubsauger oder Druckluft sind für eine adäquate Reinigung bei im Freien aufgestellten Verflüssigern und Rückkühlern häufig vollkommen ausreichend. Luftkühler allerdings, die während ihres Betriebes ohnehin Kondenswasser bilden, werden meist nass von Staub und sonstigen Anhaftungen befreit. Wasserschlauch, Hoch- und Dampfdruckreiniger sind hier die gängigen Hilfsmittel. Sehr häufig kommen bei diesen Prozessen auch Reinigungsmittel zum Einsatz. Die schiere Menge an unterschiedlichen Herstellern und Produkten macht es Laien dabei besonders schwer die richtige Wahl zu treffen.

Einfluss auf die Materialverträglichkeit

Da die chemische Zusammensetzung eines Reinigungsmittels maßgeblichen Einfluss auf die Materialverträglichkeit hat, ergibt es Sinn, sich zunächst den typischen Bestandteilen und deren Eigenschaften zu widmen. Daneben spielen aber auch andere Faktoren eine wichtige Rolle. Auf diese wird anschließend näher eingegangen.

Bestandteile gängiger Reinigungsmittel

Wasser

Spätestens nach der Verdünnung auf Anwendungskonzentration ist Wasser der mit Abstand größte Bestandteil gängiger Reiniger. Wasser sorgt in erster Linie für den Abtransport der gelösten Stoffe und für die Übertragung mechanischer und thermischer Energie auf die Verschmutzungen.

Säuren und Laugen

Weiterhin wichtig sind Säuren oder Laugen, mit deren Hilfe der pH-Wert der Reinigungslösung eingestellt wird. Die Protonierung bzw. Deprotonierung der Schmutzpartikel macht das An- und Ablösen der Verschmutzung oftmals erst möglich.

Oberflächenaktive Substanzen

Um die einzelnen Schmutzteilchen dann anschließend auch wirklich in Lösung zu bringen und vor allem dort zu halten, kommen sogenannte oberflächenaktive Substanzen – oft auch als Tenside bezeichnet – zum Einsatz. Diese die Oberflächenspannung des Wassers beeinflussenden Chemikalien werden ebenfalls verwendet, um das Schaumbildungsverhalten der Reinigungslösung anzupassen. Das Wirkspektrum reicht dabei von einem nahezu überhaupt nicht zerfallenden Schaum bis hin zur völligen Unterdrückung der Schaumbildung.

Antimikrobiell wirkende Substanzen

Um vor allem im Lebensmittelbereich den Reinigungsaufwand zu verringern, werden den Mitteln häufig antimikrobiell wirkende Substanzen beigemischt. Ein zweiter Reinigungsschritt, die Desinfektion, kann damit oftmals entfallen.

Korrosionsinhibitoren

Reinigungswirkung und Aggressivität gegenüber den zu reinigenden Oberflächen korrelieren meist sehr stark, so dass Substanzen mit korrosionsinhibierender Wirkung den Produkten hinzugefügt werden, um den Oberflächenangriff zu minimieren.

Komplexbildner

Schließlich ist fast allen Reinigern noch eine weitere Komponente gemein – nämlich die Komplexbildner. Diese haben vornehmlich die Aufgabe der Härteregulierung. Das bedeutet, die für die Wasserhärte verantwortlichen Kationen (hauptsächlich Mg²⁺ und Ca²⁺) an der Bildung unlöslicher Salze (Kalk, Kalkseifen, usw.) zu hindern.

Bis auf Wasser gibt es für jede der oben aufgeführten Gruppen eine Vielzahl von chemischen Substanzen, die zum Teil auch mehrere Eigenschaften in sich vereinigen können. Gegenüber den üblichen Gebrauchsmetallen ist Wasser selbst nicht korrosiv. Ausschlaggebend sind immer die darin gelösten Stoffe, wie beispielsweise Säuren und Laugen, die sich auf den pH-Wert auswirken, oder auch manche antimikrobiell wirkende Substanzen.

Temperatur

Nach van ’t Hoff verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Erhöhung der Temperatur um etwa 10 K. Zwar handelt es sich dabei nur um eine sehr grobe Näherung, sie veranschaulicht dennoch sehr schön den exponentiellen Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur, den Arrhenius wenige Jahre später entdeckte. Deshalb können bereits vergleichsweise kleine Temperaturänderungen einen starken Effekt auf die Reinigungsleistung haben, sich aber natürlich auch im gleichen Maße auf die Materialverträglichkeit auswirken.

Konzentrationen

Eine ebenfalls grobe aber dennoch hilfreiche Näherung ist die Annahme, dass sich bei doppelter Konzentration die Einwirkzeit halbieren lässt und trotzdem das gleiche Reinigungsergebnis zu erwarten ist. Der Einfluss der Konzentration auf die Materialverträglichkeit ist entsprechend. So kann davon ausgegangen werden, dass bei gleicher Einwirkzeit – sofern es sich um einen aggressiven Reiniger handelt – die zu reinigende Oberfläche doppelt so stark in Mitleidenschaft gezogen wird wie bei halber Konzentration.

Reinigungshäufigkeit/Einwirkzeit

Prinzipiell kann von einem linearen Zusammenhang zwischen Reinigungshäufigkeit bzw. Einwirkdauer und korrosivem Angriff ausgegangen werden. D. h. bei häufiger Reinigung (z. B. täglich) oder langen Einwirkzeiten (Stunden) sollten mildere Mittel verwendet werden. Seltene Reinigungen (z. B. jährlich) können auch mit aggressiveren Mitteln durchgeführt werden – sofern das Nachspülen die Einwirkzeit kurzhält (Minuten). Ein bekanntes Beispiel ist das Entfernen von mineralischen Ablagerungen (Kalk) auf wasserbesprühten Rückkühlern (bspw. „Güntner Hydrospray“). Diese lassen sich nur mit stark sauren Reinigern entfernen, welche die Aluminiumlamellen angreifen. Da es sich in der Regel aber um einmalige Reinigungsaktionen handelt, hat der dadurch entstehende geringe Metallabtrag weder auf die Leistung noch auf die Lebensdauer einen spürbaren Einfluss.

Nachspülen

Besonders im Umgang mit sauren oder basischen Reinigern ist ein gründliches Nachspülen im Anschluss an die Reinigung bzw. Einwirkzeit unumgänglich. Die ggfs. enthaltenen Inhibitoren wirken nicht auf Dauer und für empfindliche Materialien wie Aluminium kann selbst bei vermeintlich hoher Verdünnung immer noch ein kritischer pH-Wert vorliegen.

Abschätzung der Materialverträglichkeit

Sicherheits- und Produktdatenblatt

Sicherheitsdatenblätter (engl. Material Safety Data Sheet, kurz MSDS) sind gesetzlich vorgeschrieben und legen den Schwerpunkt auf die sichere Verwendung der Produkte bei deren Handhabung, um insbesondere Schäden am Menschen und der Umwelt vorzubeugen. Der Materialverträglichkeit kommt in diesen Dokumenten zumeist keine große Bedeutung zu. Sie eignen sich daher nur bedingt, um Aussagen über die Korrosivität des Reinigers zu machen.

Im Gegensatz dazu sind Produktdatenblätter freiwillige Dokumente der Hersteller und sollen Anweisungen für die richtige Verwendung des Reinigers geben. Insbesondere wird der angedachte Einsatzbereich definiert und Empfehlungen bzgl. Verdünnung, Anwendungstemperaturen und -zeiten gegeben. Häufig finden sich in Produktdatenblättern auch ganz klare Hinweise zur Materialverträglichkeit. Die Anwendungshinweise des Produktdatenblattes sind in der Regel erprobte Vorschriften, die die Wirksamkeit und Materialverträglichkeit des Reinigers bzw. Desinfektionsmittels sicherstellen. Beide Eigenschaften sind allerdings stark von Konzentration, Temperatur und Einwirkungsdauer abhängig, weshalb die Vorgaben des Produktdatenblattes stets eingehalten werden sollten.

Abschätzen der Materialverträglichkeit anhand von pH-Wert und Zusammensetzung

Sind keine konkreten Angaben bezüglich der Materialverträglichkeit verfügbar, so kann man anhand des pH-Wertes und den Hauptbestandteilen des Reinigers dennoch eine Abschätzung vornehmen. Beide Informationen lassen sich üblicherweise sowohl dem Produkt- als auch dem Sicherheitsdatenblatt entnehmen.

Die Einteilung nach dem pH-Wert erfolgt häufig, wie in Tabelle 1 dargestellt. Alkalische Reiniger, also Reiniger mit hohem pH-Wert, lösen Fette, Eiweiße und andere organische Verschmutzungen besonders gut und finden daher breite Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Neutrale Reiniger mit pH-Werten zwischen 6 und 8 kommen überall da zum Einsatz, wo es darum geht, Oberflächen möglichst materialschonend zu reinigen. Saure Reiniger mit niedrigen pH-Werten eignen sich hervorragend, um mineralische Ablagerungen (Kalk, Zunder etc.) aufzulösen. Entkalker und Beizmittel sind typische Vertreter dieser Reinigungsmittelklasse.

Wie in Tabelle 1 vermerkt, ist die Kompatibilität der rostfreien Chrom-Nickel-Stähle (VA) prinzipiell mit allen Reinigern gegeben. Stark saure und stark alkalische Reiniger greifen aber Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) an. Bei diesen Metallen kann man im Allgemeinen nur neutrale Reiniger bedenkenlos verwenden. Selbst schwach saure und mild alkalische Produkte können auf Kupfer- und Aluminiumoberflächen – je nach chemischer Zusammensetzung – Korrosion verursachen und sind somit nur bedingt geeignet.

Bild 1 versucht diesem Sachverhalt gerecht zu werden, indem es bewusst auf exakt definierte pH-Wert-Bereiche verzichtet und gängige Bestandteile auflistet. Beispielhaft sind Substanzen hervorgehoben, die speziell für bestimmte Metalle korrosiv sind. So können chloridhaltige Reiniger (bspw. auf Basis von Salzsäure oder Natriumhypo­chlorit – oft auch als Aktivchlor bezeichnet) selbst bei rostfreien Edelstählen zu Korrosionserscheinungen führen und Aluminiumbauteile noch in hohen Verdünnungen und bei nahezu neutralem pH-Wert schädigen. Und auch Kupfer, welches als Halbedelmetall größtenteils unempfindlich gegenüber Korrosion in wässriger Umgebung ist, kann in Anwesenheit bestimmter Spezies (bspw. Essigsäure) bereits im schwach sauren Milieu korrodieren.

Laborversuche

Um solch unerwünschte Wechselwirkungen im Vorfeld ausschließen zu können, kann die Materialverträglichkeit bereits während der Entwicklung eines neuen Reinigungsmittels im Labor getestet werden. Kleine Muster der im Wärmeübertrager verwendeten Materialien werden in der zu testenden Reinigungsflüssigkeit über einen gewissen Zeitraum gelagert. Temperatur und Auslagerungsdauer richten sich nach der geplanten Reinigungsprozedur. Angenommen, eine werktägliche Reinigung mit einer Einwirkdauer von zehn Minuten ist vorgesehen, dann entspricht eine Auslagerung von 24 h der realen Belastung, die nach etwa einem halben Jahr zu erwarten ist. Höhere Temperaturen beschleunigen, wie bereits erwähnt, die Korrosion und können somit verwendet werden, um die Versuchszeit im Labor weiter zu verkürzen.

Die Proben werden sowohl vor Beginn als auch am Ende der Prüfung – nach erfolgter Reinigung – genau gewogen (+/- 1 mg), um den Massenverlust bestimmen zu können. Dieser korreliert mit dem Ausmaß der Korrosion. Aber auch Materialverfärbungen und Ausgasungserscheinungen fließen in die Auswertung mit ein. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen bilden dann die Grundlage für die Angaben zur Materialverträglichkeit in den Produktdatenblättern.

Eigene Untersuchungen

In Kooperation mit der Calvatis GmbH, einem Hersteller von Reinigungsmitteln, hat Güntner die Kompatibilität seiner Standardmaterialien mit verschiedenen Produkten ebenfalls mittels Auslagerungsversuchen im Labor ermitteln lassen. In einigen Fällen zeigten sich deutliche Abweichungen zu den Angaben in den Produktdatenblättern. So ergaben sich teilweise für Aluminiumlamellen nach der Auslagerung in den verschiedenen Reinigungslösungen Massenverluste von fast 25 % (siehe Tabelle 2 und Bild 2), obwohl alle Mittel für die Reinigung von Aluminium vom Hersteller freigegeben waren.

Zusammen mit dem Hersteller wurden daher die alkalischen Produkte soweit optimiert, dass auch damit eine regelmäßige Reinigung von Güntner-Standardgeräten problemlos erfolgen kann.

Wirkungsweise von Korrosionsinhibitoren

Bereits durch eine kleine Anpassung der Rezeptur des stark alkalischen Reinigers konnte die Effizienz des Korrosionsinhibitors drastisch gesteigert werden. Eine Verdopplung der Inhibitorkonzentration war ausreichend, um den Massenverlust von fast 30 % auf 0,01 % zu senken (siehe Tabelle 3) und eine Verfärbung des Aluminiums gänzlich zu unterbinden (siehe Bild 3). Die inhibierende Wirkung des Natriumsilikats beruht dabei auf der Bildung einer schützenden Deckschicht auf der Metalloberfläche. Solange diese Deckschicht nicht vollständig geschlossen ist, vermag sie kaum einen merklichen Schutz vor Korrosion zu leisten. Erst ab einer bestimmten Mindestkonzentration, die je nach Metall, Inhibitor und den sonstigen Bestandteilen im unteren einstelligen Prozentbereich variieren kann, ist sie vollständig ausgebildet und kann die korrosiven Bestandteile des Reinigers effektiv von der Metalloberfläche fernhalten.

Konzentrationsabhängigkeit der Korrosion

Wenn auch im Falle des mild alkalischen Reinigers der Massenverlust nur geringfügig ist, so ist doch der Grad der Verfärbung inakzeptabel. Durch eine Halbierung der Konzentration wurde erwartungsgemäß auch der Massenverlust in etwa halbiert (siehe Tabelle 4). Vor allem aber konnte dadurch die Verfärbung der Lamelle verringert werden (siehe Bild 4). Die Rezeptur dieses Reinigers konnte daher unverändert bleiben. Es war ausreichend, die maximale Konzentration der Anwendungslösung im Produktdatenblatt auf 2 % festzusetzen.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Wahl eines geeigneten Reinigungsmittels hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. In der Regel geht eine bessere Reinigungsleistung auch mit einer erhöhten Korrosionsgefahr einher. Zunächst lassen sich die verschiedenen Reiniger nach ihren pH-Werten klassifizieren. Es wurde gezeigt, dass dies bereits eine erste grobe Abschätzung der Materialverträglichkeit ermöglicht.

Moderne Reinigungsmittel sind aus einer Vielzahl an unterschiedlichen chemischen Substanzen zusammengesetzt, die jeweils ganz spezielle Aufgaben erfüllen. Anhand der Hauptbestandteile lässt sich die Materialverträglichkeit weiter eingrenzen. Weitere hilfreiche Informationen können dem Produktdatenblatt des Reinigers entnommen werden. Hier finden sich wichtige Anwendungshinweise des Reinigungsmittelherstellers. Da die Materialkompatibilität sehr stark von Konzentration, Temperatur und der Einwirkungsdauer der gebrauchsfertigen Reinigungslösung abhängt, kommt der Beachtung dieser Hinweise eine große Bedeutung zu. Wie ebenfalls gezeigt wurde, sind immer auch zwei weitere Faktoren zu beachten, die häufig unterschätzt werden, nämlich das gründliche Nachspülen nach der eigentlichen Reinigung und die Häufigkeit der Reinigung. Endgültige Sicherheit bezüglich der Materialverträglichkeit eines bestimmten Reinigers mit einem bestimmten Werkstoff liefern aber letztlich nur Laborversuche.

Es gilt, die Materialien des Wärmeübertragers sowie das Reinigungsmittel und auch den Reinigungsprozess so aufeinander abzustimmen, dass die gewünschte Reinigungswirkung erzielt und der Wärmeübertrager dabei nicht beschädigt wird. Jahrzehntelange Erfahrung auf diesem Gebiet und intensiver Kontakt sowohl zu Reinigungsmittelherstellern als auch zu Anwendern in Kombination mit eigenen Laborversuchen versetzen Güntner in die Lage, diesem Anspruch mehr als gerecht zu werden.