Rohrbündelwärmeübertragern reinigen Mission: Rohr frei! So klappt es mit der Instandhaltung von Rohrbündelwärmeübertragern

Von Dominik Stephan*

So klappt es mit der Instandhaltung von Rohrbündelwärmeübertragern – Warum fallen manche Wärmetauscher aus, während andere Jahr um Jahr zuverlässig laufen? Welchen Einfluss hat die Rohrgeometrie und welche Möglichkeiten der Instandhaltung gibt es? Obwohl kaum eine Prozessanlage ohne Wärmeübertrager auskommt, sind die Apparate selber im Betrieb viel zu häufig eine Black Box. Es ginge auch anders: Wer versteht, welche Wärmetauscher warum verschmutzen und was zu tun ist, kann Geld, Energie und Reinigungsaufwände einsparen.

Firmen zum Thema

Produktionsrückstände, Kalk, Salz und Schwebstoffe setzen die Rohre schnell zu.
Produktionsrückstände, Kalk, Salz und Schwebstoffe setzen die Rohre schnell zu.
(Bild: ©Tanakorn - stock.adobe.com)

Ob Raffinerie, Rauchgasbehandlung oder Chemieanlage: Wärmetauscher zählen zu den unverzichtbaren Arbeitspferden im Anlagenbau. Doch der Dauereinsatz in der Produktion geht an die Substanz, wenn Ablagerungen, Krusten oder sogar Verblockungen und Verschlüsse die Rohre blockieren. Dabei können schon dünne Schichten von unter 0,5 Millimeter im schlimmsten Fall eine „Wärmeübertragungsminderung“ von 40 bis 90 Prozent zur Folge haben. Dadurch, kommen zahlreiche Studien zu dem Ergebnis, dass der Energiemehraufwand durch verschmutzte Wärmeübertrager für ein bis zweieinhalb Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich sein könnte. Die Mehrkosten können bei Industrieländern ein Viertelprozent des BIP ausmachen.

Dabei könnten Rohrbündelwärmeübertrager durch geeignete Instandhaltungsverfahren lange zuverlässig und leistungsfähig bleiben. Doch diese unliebsame Aufgabe wird meist Dienstleistern übertragen, in der Hoffnung, die Apparate bei den Profis in guten Händen zu wissen. Häufig existieren nicht einmal einheitliche und aussagekräftige Maßstäbe, um den Erfolg der Reinigung zu bewerten.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 8 Bildern

Unter Druck: Hochdruckreinigung für Wärmetauscher

Denn Reinigen heißt nicht gleich Reinigen: Mittlerweile hat sich eine Vielzahl Verfahren etabliert, die eine gründliche Oberflächenbehandlung versprechen. Ob mit chemischen Mitteln, Hochdruck-Wasserstrahlen, Ultraschallbädern oder durch das Ausbohren der Rohre, jedes Verfahren hat eigene Stärken und Schwächen und muss „passend“ zur Situation des Anlagenbetreibers ausgewählt werden.

Wer Wärmetauscher reinigen will, steht vor dem Problem, dass der Apparat ausgebaut und geöffnet werden muss. Doch selbst, wenn die Rohrbündel aus dem Mantel gezogen wurden, ist die Verschmutzung keineswegs frei zugänglich. Insbesondere das Innere der Rohre ist anfällig für Blockaden. Hierfür setzen Instandhalter häufig auf eine Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahlen, nicht zuletzt da die meisten Dienstleister mit der Methode vertraut sind.

Mittels Hochdruck-Wasserstrahl...
Mittels Hochdruck-Wasserstrahl...
(Bild: VCG/uelle: Kastner)

Laut und energiehungrig: Nachteile des Wasserstrahlverfahrens

Doch wie so oft hat die scheinbar einfache Lösung in der Praxis Tücken: Der Aufwand ist vergleichsweise hoch und der Prozess langwierig. Die Reinigung benötigt enorme Mengen an Energie und wertvollem Wasser und das Arbeiten ist durch den entstehenden Lärm sehr ungemütlich. So verbraucht Hochdruck bei Einsatz eines 480 kW/h-Motors für eine 1.000-bar-Pumpe jede Minute 256 Liter Wasser, bei einem Kraftstoffbedarf von 24 Litern pro Stunde.

Zudem ist der Umgang mit den enormen Drücken nicht ungefährlich. Aber, und das ist vielleicht das wichtigste Argument, auch der Reinigungserfolg ist, besonders bei harten Verkrustungen, nur mäßig.

Schaben, bohren, reiben: Mechanische Reinigung von Rohrbündelwärmeübertragern

Dabei geht es auch anders: Bei der mechanischen Rohrreinigung kommen Bürsten oder Schaber zum Einsatz, die zunehmend auch automatisch geführt werden. So „schießt“ die Firma Jänsch aus Köln einen wassergespülten Rundhohlbohrer mit Druckluft durch bis zu acht Meter lange Rohre. Alternativ kann eine biegsame Welle genutzt werden, um in schwer zugänglichen Innenrohren Spülwasser oder Reinigungswerkzeuge an den Einsatz­ort zu bringen.

...oder Mechanisch - wer hat die Nase vorn?
...oder Mechanisch - wer hat die Nase vorn?
(Bild: VCG/uelle: Kastner)

Beim Rädler-Tube-Cleaning-Verfahren (RTC) des Österreichischen Unternehmens AC Rädler werden mit einem Spezialbohrkopf Ablagerungen schonend abgetragen und das Rohr durch eine Messingführung poliert. Durch die Passgenauigkeit verbleiben keine Restbeläge, sodass die glatten Oberflächen kaum Angriffsfläche für neue Beläge bilden. Mit RTC ist es so möglich, innerhalb von drei Minuten ein total verblocktes Rohrstück von drei Metern Länge zu reinigen und zu regenerieren, erklärt der Hersteller. Der genutzte Elek­tromotor braucht lediglich 5 kW pro Stunde und etwa 10 Liter Wasser in der Minute. Das Verfahren ist allerdings nicht überall etabliert, sodass entsprechende Maschinen und Spezialisten erst zur Anlage kommen müssen. Außerdem können nur gerade Innenrohre gereinigt werden, was bei den in der Chemie häufigen U-Bogen-Wärmetauschern zum Problem wird.

Ultraschall und Pyrolyse: Alternative Instandhaltungs- und Reinigungsmethoden

In solchen Fällen verspricht die Ultraschall-Reinigung Abhilfe: Dabei wird das Rohrbündel aus dem Wärmetauscher-Mantel gezogen und in ein Becken mit Reinigungsflüssigkeit getaucht. Durch Ultraschallwellen wird das Material zum Schwingen angeregt, wodurch Kavitationsblasen entstehen. Die freiwerdende Energie löst Schmutz und Rückstände von der Oberfläche. Das Verfahren ist neu und vergleichsweise aufwändig, erzielt aber auf der Rohraußenseite gute Ergebnisse.

Elektrolyse, Power-to-X und Brennstoffzelle: Das sind die Top-Themen beim Wasserstoff
Bildergalerie mit 14 Bildern

Für die Ultraschall-Reninigung verblockter Rohre ist häufig eine „Öffnung“ mit Hochdrucklanzen nötig, zeigen Untersuchungen einer Raffinerie in den Niederlanden – allerdings konnten die Betreiber gegenüber „reinen“ Hochdruck über 75 Prozent Arbeit und 86 Prozent Wasser einsparen. So können trotz höherer Investments Gesamteinsparungen bis 50 Prozent erreicht werden, heißt es in dem Abschlussbericht aus Holland. Ebenfalls das Ganze Rohrbündel auf einmal reinigen kann man mit Pyrolyse-Öfen, in denen sich in einer sauerstoffarmen Atmosphäre bei etwa 450 °C organische Verschmutzungen zersetzen und als Gas oder Staub abgeschieden werden können.

Messen, aber wie? Wie gut ist die Wärmeübertragung wirklich

Je besser und vollständiger die Reinigung, desto besser der Wärmedurchgang. Wenn dieser Wert, wie reinen Wasserstrahlverfahren, kontinuierlich abnimmt, muss der Apparat in immer kürzeren Abständen gereinigt werden und bleibt trotzdem unter seinen Möglichkeiten. Die Folge: Eine vorzeitige Verschrottung.

Deswegen braucht es Kriterien, um den Verschmutzungsgrad oder Erfolg von Reinigungsverfahren bei Wärmetauschern zu messen. Letzteres ist noch vergleichsweise einfach: Man Teile den Wärmedurchgang vor und nach der Reinigung und erhält einen Kennwert für die Reinigungsqualität.

Um den Grad der Verschmutzung zu bestimmen, nutzt der Hersteller Talcyon mit Apris ein Akustikpuls-Verfahren, bei dem anhand charakteristischer Echos innerhalb von Sekunden Verschmutzungen, Blockaden oder Erosions-Schäden lokalisiert werden. Mit softwaregenauer Auswertung und kurzer Mess­zeit soll das Verfahren (2021 von Frost & Sullivan mit dem Best-Practice-Award ausgezeichnet) gegenüber Spektroskopie, Wirbelstromverfahren oder „invasiven“ Ultraschallmessungen die Nase vorn haben.

Einblick von Außen, Druchblick bis ganz nach Innen

Um „von außen“ eine Aussage über das Strömungsgeschehen im Rohr zu treffen, können Massestrom und Temperatur im Zu- und Ablauf gemessen werden oder Ultraschall-Sensoren als genau definierte Messtrecke auf den Rohren aufgebracht werden. Entsprechende Lösungen bietet etwa Systec Controls als „Komplettpaket“ im praktischen Kofferformat an. Allerdings: Die Fähigkeit eines Apparates, Wärme zu übertragen, kann nicht direkt gemessen werden. Daher verlässt man sich auf die Messung von Druck, Temperatur und des Massestroms, um den optimalen Zeitpunkt für Instandhaltungsmaßnahmen zu bestimmen.

Ob vorausschauend oder streng nach Plan, eines haben alle Instandhaltungsstrategien gemein: Das Ziel sollte immer das „blanke Rohr“ sein, erklärt Hans-Jürgen Kastner, Senior Consulting Ingenieur und Mitglied im Deutschen Industrie- Reinigungs-Verband. Der langjährige Industrieberater hat sich die Wärmetauscher-Instandhaltung zur Herzensangelegenheit gemacht und plädiert für einen Bewusstseinswechsel bei den Aggregaten: Da schon scheinbar kleine Verunreinigungen enorme Folgen haben, sei dem Verlust an Übertragungsleistung anders nicht beizukommen.

Da etwa 0,5 mm den Wärmeübergang um 40 bis 99,7 Prozent verschlechtern können, bringt eine oberflächliche Reinigung kaum spürbare Verbesserungen. Schlimmer noch, wenn auch nur ein feiner Schmutzfilm im Rohr verbleibt, ist der nahezu vollständige Ausfall der Wärmeübertragung schnell erreicht.

Geht es auch anders? So werden Wärmeübertrager zuverlässig alt

Der Ingenieur weiß, dass in einer typischen Industrieanlage mit zahllosen Wärmeübertragern lediglich eine kleine Anzahl zur Krusten- und Verschlussbildung neigen. Es seien diese Apparate, so Kastner, die aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Überwachung auch außerhalb der turnusmäßigen Instandhaltung rechtfertigen. „Wenn es beim Betreiber an Erfahrungen mit der Wärmetauscher-Instandhaltung hapert, werden Wärmetauscher zuweilen um den Faktor zwei überdimensioniert“, weiß Kastner. Dabei wäre es viel sinnvoller, beim Engineering die Instandhaltung gleich mit einzubeziehen – schon so einfache Maßnahme wie der Verzicht auf U-Rohre erweitern die Möglichkeiten bei der Reinigung erheblich. ●

* Kontakt zu Hans-Jürgen Kastner, Umwelt Technik Marketing und DIRV: utmtechnik-b2b.com

(ID:47797358)