Wärmetauscher Den Ausfall von Wärmetauschern verhindern

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Klaus Rümler / Andreas Kunze

Die wirkliche Ursache warum eine Kompenente ausfällt, steckt in vielen Fällen nicht in den einzelnen Geräten, sondern in ihrem Zusammenspiel. Das Beispiel eines dampfbetriebenen Wärmetauschers zeigt, welches Know-how notwendig ist, um solche Anlagen optimal zu betreiben.

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Alle Standardkomponenten optimal dimensioniert und kombiniert: Easiheat Wärmeübertragerstation mit Dampf-Plattenwärmetauscher
Alle Standardkomponenten optimal dimensioniert und kombiniert: Easiheat Wärmeübertragerstation mit Dampf-Plattenwärmetauscher
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Aufgabenstellung bei einer dampfseitig geregelten Wärmeübertrager-Station ist klar definiert: Ein Sekundärmedium soll mittels Dampf erhitzt werden. Im einfachsten Fall sind dazu nur fünf Komponenten notwendig: Der Wärmetauscher, ein Regelventil, ein Messfühler für die Temperatur, der Regler und ein Kondensatableiter (siehe Schema).

Über den Messfühler wird die Temperatur des zu erwärmenden Mediums gemessen. Der Regler vergleicht diesen Istwert mit einem Sollwert und variiert dann die durch das Regelventil strömende Dampfmenge. Der Druckabfall führt über das Regelventil zu einer Druck-, und damit zu einer Temperaturänderung des Dampfes. Was dabei aber tatsächlich interessiert, ist die Dampfmenge als Äquivalent zur Wärmemenge, die benötigt wird, um das Sekundärmedium aufzuheizen (Qp = Qs, Verluste sind unberücksichtigt).

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Die primäre Wärmemenge ändert sich je nachdem, wie viel Dampf durch das Ventil strömt, aber auch durch den Druck, der äquivalent zum Wärmeinhalt des Dampfes ist. Soweit entspricht dieses Beispiel einer normalen Regelstrecke. Eine Auswahl der einzelnen Komponenten gemäß ihrer Leistungskennlinien sollte jetzt eigentlich kein Problem darstellen. Bei einer genauen, fachmännischer Betrachtung jedoch, sieht die Situation etwas anders aus.

Den Wärmetauscher richtig bestimmen

Die vom Wärmetauscher übertragene Leistung wird durch Q = k x A x Tm beschrieben. Bei dampfseitig geregelten Wärmetauschern ist die Fläche A konstant. Der Wärmedurchgangskoeffizient ist der Kehrwert der drei Wärmeübergangs-Widerstände: 1. Der Dampf zur metallenen Wärmetauscherfläche (dieser Übergangswiderstand ist konstant). 2. Der Durchgang durch die Metallwandung, ebenfalls konstant und 3. der Übergang von der Metallwandung zum Sekundärmedium, ist konstant bei gleichbleibenden Strömungsbedingungen.

Die übertragene Wärmemenge ist demzufolge nur noch abhängig vom mittleren Temperaturgefälle, das bei Dampfanwendungen als arithmetisches Mittel berechnet werden kann. Ist der Wärmetauscher allerdings falsch ausgelegt, d.h. zu groß, zeigt die Wärmedurchgangsformel, dass der Effekt von Tm immer geringer wird. Tatsächlich führt das dazu, dass die Regelung immer weniger Spreizung zur Verfügung hat und deswegen leichter zum Überschwingen kommt. Bei den besonders kompakten und effektiv arbeitenden Plattenwärmetauschern kann es bei Nullabnahme auf der Sekundärseite zu einem Überschwingen der Sekundärtemperatur kommen. Die geringe Dampfmenge auf der Primärseite besitzt noch viel Wärmeinhalt, der sinnvoll z.B. durch eine geringe Zwangsumwälzung der Sekundärseite abgeführt werden kann.

Regeleinrichtungen nach Maß

In vielen Fällen wird das Regelventil zu groß gewählt; oft wird einfach die Dimension der Rohrleitung als Maßstab angenommen und nicht der berechnete kv-Wert. Ist dann auch noch der Wärmetauscher zu groß oder mit zu viel Reserve ausgelegt, kommt es zu Regelungenauigkeiten und erhöhter Abnutzung des Ventils.

Das Regelventil darf nur verhältnismäßig kleine Dampfmengen passieren lassen und arbeitet dann nahe dem Schließzustand. Durch Strömungseinflüsse, Mikroströmung in der verengten Öffnung sowie durch vibrierende Berührung zwischen Ventilteller und Ventilsitz wird die Lebensdauer des Regelventils zum Teil gravierend beeinträchtigt.

Die Nachrüstung einer Wärmeübergabe-Station auf höhere oder die Änderung auf niedrigere Leistungen ist bei der Verwendung von Plattenwärmetauschern, durch die Änderung der Plattenanzahl, in bestimmten Grenzen möglich. Eine Leistungsänderung bedarf aber auch eines geänderten Ventils.

Einfache Regelungen ohne Hilfsenergie sind für die industrielle Wärmetauscher-Regelung allerdings wenig geeignet. Ein elektronischer PID-Regler zusammen mit einem elektro-pneumatischen oder elektrischen Regelventil dagegen, ist den meisten Rahmenbedingungen gewachsen.

Alle Messfühler richtig positionieren

Leider kommt es in der Praxis immer noch viel zu häufig vor, dass Temperaturfühler an nicht repräsentativen Stellen eingebaut werden, nicht weit genug ins Medium ragen oder dem Einfluss anderer Effekte wie z.B. der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Die dann falsch gemessene Temperatur ist nicht geeignet, eine genaue Regelung der Sekundärseite zu gewährleisten. Ist eine Übertemperatursicherung nach DIN 32730 notwendig, ist das sogar ausgesprochen gefährlich.

Die ersten vier oben besprochenen Komponenten sind für einen Regelkreis normalerweise völlig ausreichend. Nicht so aber bei Dampfanwendungen. Es ist unabdingbar, dass im Ausgang des Wärmetauschers ein Kugelschwimmer-Kondensatableiter eingesetzt wird. Ohne die richtige Funktion dieses Gerätes würde der Heizdampf ungehindert abströmen und viel Energie geht unnötig verloren. Vom Druck im Ausgang des Primärkreislaufes wäre auch der Druck im Wärmetauscher abhängig und damit die primärseitige Heiztemperatur.

Eine Reglung der Sekundärtemperatur wäre damit unmöglich.

Beim Kondensatableiter liegt die Betonung auf Kugelschwimmer-Kondensatableiter. Nur dieses Bauteil gewährleistet normalerweise eine anstaufreie Ableitung des Kondensats. Staut Kondensat zurück, wirkt die Flächenveränderung im Wärmetauscher störend auf die Regelung. Es kommt zu Schlägen und Geräuschbildung und in vielen Fällen zu zerstörenden Korrosionseffekten. Vom Einsatz thermischer Kondensatableiter bei der Wärmetauscher-Anwendung ist daher grundsätzlich abzuraten.

Zuletzt die Komponenten richtig abstimmen

Für jeden Betreiber ist es immer wieder unangenehm, wenn bei einer schlecht funktionierenden Anlage jeder beteiligte Lieferant darauf verweisen kann, dass doch sein Gerät funktioniert und den technischen Daten voll entspricht. Aber oft ist es erst das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten, was dafür verantwortlich ist, ob das gewünschte Ergebnis erzielt wird oder nicht.

Der zu große oder zu kleine Wärmetrauscher, das zu große oder zu kleine Regelventil, der zu große oder zu kleine Kondensatableiter, sie alle beeinflussen sich gegenseitig und sind letztendlich für die Funktion der Gesamtanlage bestimmend. Die richtige Anlagenausrüstung und Dimensionierung sorgt nicht nur für den bestmöglichen Einstandspreis sondern auch für die größtmögliche Betriebssicherheit und Lebensdauer.

Aber mindestens genauso wichtig wie die Betrachtung der Energie versorgenden Primärseite sind die Bedingungen auf der Sekundärseite. Denn die Strömungsverhältnisse dieses Mediums haben großen Einfluss auf die Kosten.

Turbulente Strömungen und damit gute Wärmeübergänge verringern die benötigte Austauschfläche und der Wärmetauscher wird entsprechend kleiner. Außerdem reduziert die turbulente Strömung Absetzeffekte durch Feststoffe oder Kalk. Aus diesem Grund sind richtig dimensionierte nicht so verschmutzungsanfällig wie übliche Rohrbündel-Wärmetauscher.

Wie oft gilt, dass mit entsprechenden Kenntnissen eine Anlagenausrüstung nicht sehr kompliziert ist. Verfügt man selber nicht über alle diese Kenntnisse oder die entsprechende Erfahrung, kann ein kompetenter Partner weiterhelfen.n

Der Autor ist Geschäftsführer der Spirax Sarco GmbH, Konstanz.

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