Wärmetauscher Rechtzeitige Vor-Ort-Reinigung hält Wärmetauscher leistungsfähig und spart Kosten

Vermeiden kann ein Betreiber nicht, dass sein Wärmetauscher im Laufe der Zeit Schmutz ansetzt. Aber reinigen lassen kann er ihn – und zwar mit vergleichsweise niedrigem Aufwand.

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Industrielle Wärmetauscher verrichten ihre Arbeit meist unter rauhen Bedingungen – der Hauptgrund, warum sich im Laufe der Zeit starke Verschmutzungen und Verkrustungen, Fouling genannt, auf den Wärmeübertragungsflächen bilden. Wird diesen Belägen nicht rechtzeitig zu Leibe gerückt bzw. der Wärmetauscher nicht ausgetauscht, sobald er deutlich an Leistung verloren hat, sind schnell die Systemeffizienz und die Produktionssicherheit in Gefahr. Weil die Art und die Geschwindigkeit der Verschmutzung in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen stark variieren, können Wärmetauscherhersteller keine allgemeingültigen Reinigungsintervalle angeben, sodass es in der Hand des Betreibers liegt, seine Geräte vorsorglich reinigen zu lassen. Entscheidet er sich für eine Reinigung vor Ort, kann er damit Betriebskosten und Zeit einsparen.

Die häufigsten Verschmutzungen an Wärmetauschern sind

• Kristallisationsfouling

• Partikelfouling und

• Korrosionsfouling.

Der Grund für Kristallisationsfoulings sind gelöste Salze, die in Rohwasser sowie im von den Wasserwerken gelieferten Wasser immer vorhanden sind. Ihre Wasserlöslichkeit nimmt mit steigender Temperatur ab, sodass Kristalle entstehen und sich auf der Wärmeübertragungsfläche ablagern können, sobald die Löslichkeitsgrenze überschritten wird. Beispiel: Soll ein Wärmetauscher mit 60 °C Wandtemperatur Wasser aufheizen, das in der Kernströmung 40 °C warm ist, fällt durch die höhere Wandtemperatur z.B. Calciumsulfat aus, das teils an den Übertragungsflächen kristallisiert. Partikelfouling tritt auf, wenn sich Feststoffpartikel wie fein suspendierter Sand oder Rostteilchen aus der Flüssigkeit an den Wärmeübertragungsflächen ablagern. Wie stark Partikel dazu neigen, hängt von ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie den Trennkräften ab, die hauptsächlich von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt sind. Korrosion beruht auf einem (elektro-)chemischen Angriff auf die Werkstoffoberfläche. Dadurch bildet sich eine meist sehr dünne Oxidschicht, die den Wärmedurchgang zwar nicht maßgeblich stört, jedoch Feststoffablagerungen und Kristallisation begünstigt, weil die angegriffene Oberfläche wesentlich rauher ist. Sobald Korrosionprodukte direkt dort haften, spricht man von Korrosionsfouling.

In der Praxis lässt sich Verschmutzung an Wärmetauschern allerdings selten durch nur eine Ursache klären, weil der gesamte Vorgang sehr komplex ist und die einzelnen Mechanismen ineinander greifen.

Bereits dünne Schmutzschichten sind ein Problem

Um zu zeigen, wie sich eine Verschmutzung auf einer Wärmetauscheroberfläche auswirkt, wird die Formel für den Wärmestrom Q durch eine mehrschichtige Wand benutzt. Diese sei einschichtig, solange die Oberflächen sauber sind, und zweischichtig, wenn sie auf einer Seite von einer Ablagerung belegt ist. Dann gilt:

Q = A · t · ΔT · 1/(δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂)

mit Q Wärmestrom (in Ws)

A Fläche (in m²)

t Zeit (in s)

ΔT Temperaturdifferenz (in K)

δ₁ Schichtdicke der Wärmetauscherwand (in m)

δ₂ Schichtdicke der Verschmutzung bzw. Ablagerung (in m)

λ₁Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscherwand (in W/m · K)

λ₂ Wärmeleitfähigkeit der Verschmutzung bzw. Ablagerung (in W/m · K)

Beispiel: Die Wärmetauscherwand sei aus Kupfer (λ = 384 W/m · K), 2 mm dick, und die Austauscherfläche betrage 1 m². Die beiden Seiten seien einer Temperaturdifferenz von 100 K ausgesetzt. Bei sauberer Oberfläche stellt sich ein Wärmestrom von 5,3 KWh ein, bei Ablagerungen aus Kalk/Kesselstein (λ = ca. 3 W/m · K) in einer Stärke von nur 0,1 mm (!) stellt sich nur noch ein Wärmestrom von 0,7 KWh ein. Ist der Wärmetauscher aus Edelstahl, ist das Ergebnis zwar nicht ganz so dramatisch, aber dennoch bemerkenswert.

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