Benchmarks für Wärmeübertrager

Leistungs- und ressourceneffiziente Instandhaltung von Rohrbündelwärmeübertragern

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14.07.2017 Reinigungsmethoden für Wärmeübertrager gibt es viele – leider jedoch keine einheitliche Vergleichsgröße von unterschiedlichen Reinigungstechniken und ihren korrespondierenden Reinigungserfolgen. Eine solche Größe wäre etwa die messbare Menge an entfernten Rohrbelägen nach der Reinigung eines Wärmeübertragers. Ebenfalls in Frage käme das Erfassen der Übertragerleistung vor und nach einer Reinigung, im Idealfall vor und nach unterschiedlichen Reinigungsmethoden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Zur Kostenoptimierung betrieblicher Prozesse rechnet es sich, die Arbeitsleistung von Wärmeübertragern genau zu verfolgen und rechtzeitig Instandhaltungsmaßnahmen zu planen.
  • Bei der Wahl der geeigneten Reinigungsmethode ist auf minimalen Ressourcenverbrauch bei Wasser und Energie zu achten. Vorteilhaft ist auch das Vermeiden von Gefahrenquellen wie hoher Druck und Aerosole.
  • Mechanische Reinigung mit Hilfe von Bohrköpfen kann die Leistung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers praktisch vollständig wiederherstellen.

Mit wenig Ressourcen zu blanken Rohren

Die Wahl der richtigen Methode ist äußerst wichtig, um eine möglichst lang anhaltende optimale Leistung des Wärmeübertragers zu erreichen. Die wahrscheinlich am häufigsten eingesetzte Methode ist die Wasser-Hochdruck-Technik. Sie entfernt Rohrbeläge mit hohem Wasserdruck bis 3.000 bar. Vorteilhaft ist, dass diese Methode relativ einfach und zugleich in vielen verschiedenen industriellen Szenarien einzusetzen ist. Der Wasserverbrauch ist mit rund 50 l/min jedoch sehr hoch. Hinzu kommt der Treibstoffbedarf der häufig eingesetzten Dieselaggregate von rund 12,5 l/h. Hochdruckreinigung funktioniert sowohl bei Innen- wie auch bei Außenflächen, und ist auch für Plattenwärmeübertrager geeignet.

Cleaning-in-place-Anlagen (CIP) unterstützen den Reinigungsprozess häufig durch chemische Reinigung. Diese chemische Spülung minimiert die Produktionsunterbrechung. Allerdings entfernt sie Beläge in den Rohren häufig nur unregelmäßig. Aggressive Chemikalien können außerdem die Korrosion beschleunigen. Wie auch das Hochdruckverfahren führt dies langfristig zu rauen Oberflächen, an denen sich schneller neue Beläge festsetzen als an glatten Rohr-Innenseiten.

Diese Nachteile – Ressourcenverbrauch und angegriffene Oberflächen – lassen sich mit dem RTC-Reinigungsverfahren (Rädler Tube Cleaning) der Firma AC Rädler Umwelttechnik weitgehend vermeiden. Dieses mechanische Verfahren entfernt Rohrbeläge aus Wärmeübertragern schonend durch einen geführten und wassergekühlten Bohrvorgang. Der Wasserverbrauch fällt mit 10 l/h deutlich geringer aus als beim Hochdruckverfahren. Auch der Energiebedarf ist mit 5 kW/h, entsprechend einem Dieselverbrauch von etwa 0,05 l/h, deutlich niedriger.

Reinigung mit Bohrwerkzeug

Da bei dieser Technik ein Spezialbohrkopf zum Einsatz kommt, lassen sich im Gegensatz zur Hochdruckreinigung oder chemischen Spülung auch Rohre behandeln, die vollständig blockiert sind und keinen Durchstrom mehr ermöglichen. Die Belagsentfernung erfolgt über eine Hohlsonde im Hydraulikzylinder, bestückt mit der jeweiligen Bohrkopfdimension. Die Bohrköpfe verfügen über Spülöffnungen zum Kühlen und Spülen des Bohrgutes. Aufgrund der Maßhaltigkeit des Bohrkopfs zum Innenrohr können keine Restbeläge im Innenrohr verbleiben, im Unterschied zu anderen Reinigungsmethoden.

Einsatzbereich sind Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Rohrlängen von 1.000 bis 12.000 mm (horizontal) oder bis 8.000 mm (vertikal). Der Rohrdurchmesser kann 12 bis 55 mm betragen. Jedoch ist das Verfahren für das Reinigen von Außenflächen oder von Plattenwärmeübertragern ungeeignet.

Das RTC-Reinigungsgerät entfernt Rohrbeläge mit einem Spezialbohrkopf mit Messingführung. Diese zentriert den Bohrkopf im Übertragerrohr und poliert gleichzeitig das Innenrohr während des Reinigungsvorgangs. Dadurch sind die Innenflächen glatter, neues Belagwachstum setzt später ein, und der Übertrager behält länger seine volle Leistung. Durch den geführten Bohrkopf ist es unerheblich welche Härtegrade oder Konsistenz die Rohrbeläge aufweisen und ob das Rohr leicht, stark oder total belegt ist. Der Bohrkopf regeneriert das Rohr vollständig. Selbst verstopfte Wärmeübertrager, die bereits für eine Verschrottung vorgesehen waren, lassen sich durch das bohrende Reinigungsverfahren retten. Die Reinigungszeit für ein 3 m langes und vollständig mit Kesselstein verlegtes Kondensatorrohr mit einem Durchmesser von 17 mm beträgt rund 3 min. Ein vollständiger Wärmeübertrager mit 800 solchen Rohren ließe sich in zweieinhalb Tagen blank reinigen.

Kein Lärm, kein Schmutz, kein Hochdruck

Rohrbeläge werden gleichmäßig, bei kontinuierlichem Druck von maximal 12 bar schonend entfernt. Das bedeutet keinen Stress für die Rohre durch hohe Drücke oder Chemie. Durch den geringen Wasserdruck und mahlende Belagsentfernung hat sich diese Reinigungsmethode insbesondere bei Grafitröhrenwärmeübertrager und bei besonders dünnwandigen Rohrmaterialien wie Titan, Tantal oder Kupfer bewährt.

Eine Maschinenführung trägt den Hydraulikzylinder für einen horizontalen oder vertikalen Reinigungsein­satz. Der Hydraulikzylinder lässt sich direkt in der Anlage vor oder über einem Wärmeübertrager einsetzen. Maschinenführung und Hydraulikzylinder werden modular vor Ort zusammengebaut. Unterschiedliche Zylinderlängen lassen sich je nach Rohrlänge kombinieren. Die Maschinenführung wiederum wird entsprechend des jeweiligen Manteldurchmessers und Platzverhältnisses vor Ort mit standardisierten Gerüstlängen zusammengebaut. Für den Reinigungseinsatz sind nur wenige Gerätekomponenten notwendig, die größtenteils von einer Person zu bewegen sind. Nötig sind Pumpe, Pufferfass, Zylinder, Steuerpult, Schläuche und Gerüstteile für eine horizontale oder vertikale Maschinenführung.

Die Reinigungsarbeit verläuft geräuscharm, der Einsatz ist daher zu jeder Tages- und Nachtzeit auch in sensiblen Bereichen möglich, ohne Anwohner zu stören. Da über den Bohrkopf höchstens ein Wasserdruck von 3 bis 5 bar austritt, besteht weder vor noch unterhalb noch rückwärts eine Gefährdung für Maschinen und Personen. Großflächige Absperrungen sind damit unnötig. Außerdem fallen bei dem Verfahren nur wenig Abwasser sowie keine Aerosole und damit Belastung oder Verschmutzungen des Arbeitsbereits an.

Zwei zum Preis von einem

In der Praxis zeigt sich, dass eine spezifische Arbeitsleistung von Wärmeübertragern selten singulär gemessen wird, sondern im Verbund mit anderen Prozessen. Während sich im System die Arbeitsleistung langsam bis schleichend verschlechtert, können für den Betrieb des Übertragers und der Pumpe bereits erhebliche Mehrkosten entstehen. Ein wirtschaftlicher Reinigungstermin ist ein Beitrag zur vorbeugenden und nachhaltigen Instandhaltung sowie zur Prozessharmonisierung und Reparaturvermeidung. Ein durch optimierte Reinigungsintervalle arbeitender Übertrager benötigt weniger Betriebsleistung und erreicht einen höheren Output.

Der wirtschaftlichste Reinigungszyklus lässt sich aus tagesaktuellen Daten der Leistungswerte eines Wärmeübertragers berechnen. Zur zerstörungsfreien Messung solcher Werte existieren auch mobile Geräte. Das ROP-Berechnungsprogramm von AC Rädler weist darüber hinaus die Leistungsverluste in Geldwerten und in einer Break-Even-Kurve aus, sodass sich anhand der Kosten die Grundlagen für den wirtschaftlichsten Reinigungszyklus aufzeigen lassen. So lässt sich auch die Überdimensionierung eines Wärmeübertragers in Grenzen halten. Um spätere Leistungsverluste auszugleichen, sind Wärmeübertrager häufig größer konzipiert, als sie sein müssten. Dies führt zu verschenkter Leistung am Anfang ihrer Lebensdauer. Auch die zugehörigen Pumpen sind überdimensioniert und verbrauchen damit zunächst übermäßig Energie. Sind die Rohre des Übertragers durch Beläge verengt, sinkt die Leistung, aber die Beanspruchung der Pumpen steigt. Eine zu hohe Überdimensionierung ist daher kontraproduktiv, denn wird zum Ausgleich der reduzierten Mengenleistung der Pumpendruck erhöht, verringert sich die Kontaktfähigkeit des Mediums im Wärmeübertrager. In der Folge ist mantelseitig die Betriebstemperatur entsprechend zu erhöhen. Die Leistungsverluste steigen dadurch deutlich an.

Wird die ursprüngliche Leistung des Wärmeübertragers dagegen durch entsprechend geplante Reinigungszyklen aufrechterhalten, ist eine Überdimensionierung kaum oder sogar gar nicht erforderlich. Die Berechnungen zeigen, dass dann unter Umständen der Betrieb von zwei nicht überdimensionierten Wärmeübertragern plus Pumpen sogar wirtschaftlicher sein kann, als ein stark überdimensioniertes Gerät mit ebenfalls überdimensionierter Pumpe.

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Heftausgabe: Juli 2017

Über den Autor

Sigrun Rädler, CEO, AC Rädler Umwelttechnik
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