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| von André Vennemann ist Vertriebsdirektor Industrie D-A bei Grundfos
  • Auch bei Kühlwasser spielt das Thema Recycling eine immer größere Rolle.
  • Bei der Wiederverwendung von gebrauchtem Kühlwasser sind aber einige Punkte zu beachten.
  • Für einen effizienten Betrieb spielen insbesondere geregelte Pumpensysteme zur (Konzentrat-)Aufbereitung, die richtige Absalzung sowie aufeinander abgestimmte Systemkomponenten eine wichtige Rolle.

Wasserwiederverwendung – beispielsweise als Nachspeisewasser bei der Verdunstungskühlung – ist nicht nur ein Thema der „grünen Agenda“, sondern hat auch interessante wirtschaftliche Aspekte: So reduzieren sich doch unter anderem die erforderlichen Kapazitäten für das technische Equipment, und auch die Entsorgungskosten sinken. Solche Lösungen bieten über lange Zeit meist günstigere Betriebskosten.

Für Kühlwasser, das in Nasskühlern wie Kühltürmen seine zuvor im Prozess oder in der Maschine aufgenommene Wärme wieder abgibt, gelten jedoch auch besondere Anforderungen. Vier markante Ziele sind zu beachten: Der Schutz vor Korrosion, die Vermeidung von Ablagerungen wie Kalk, Eingrenzung des biologischen Wachstums, etwa durch Keime oder Legionellen, sowie generell eine Minimierung der Verschmutzungen durch Feststoffe. Hat man diese vier Punkte im Griff, läuft der Betrieb der Anlage in aller Regel gut.

Konzentrate aufbereiten ist aufwendig

Bei allen Wiederverwendungs-Prozessen spielen die chemische und physikalische Aufbereitung eine wichtige Rolle. Dabei wird das Wasser hinsichtlich des pH-Werts aufbereitet, und es werden (vielfach per Ultrafiltration) alle Partikel entfernt, um das Wasser für den letzten Schritt vorzubereiten: die besonders aufwendige Konzentrataufbereitung. Dieser Schritt geschieht häufig über eine Kristallisation oder eine Umkehrosmose mit bis zu drei Stufen. Herausforderungen dabei sind der hohe Druck und die Wasserchemie, was den Membranen, aber auch anderen Komponenten wie Rohren, Ventilen und Pumpen viel abverlangen kann. Alle Membranen verschmutzen mit der Zeit und müssen gereinigt werden. Je mehr die Membranen verstopfen, desto mehr Druck ist erforderlich, um das Wasser bei gleichbleibendem Förderstrom aufzubereiten.

In Anlagen mit ungeregelten Pumpen wird allmählich immer weniger Permeat geliefert, bis der Durchfluss unter den Auslegungswert sinkt. Um dieses Problem zu lösen, bietet der Pumpenhersteller Grundfos smarte Verdränger-Dosierpumpen mit einem besonderen Antriebskonzept: einem elektronisch drehzahlgeregelten Schrittmotor. In der Wasseraufbereitung eingesetzt, regelt dieser die Hubgeschwindigkeit und passt die Dosiermenge so allen Betriebsbedingungen optimal an. Die Pumpe arbeitet dabei stets mit voller Hublänge und damit wirtschaftlicher als herkömmliche Technologien wie Hublängen-/Hubfrequenz-Steuerung mit Synchronmotor oder Magnetantrieb.

Für die chemische Aufbereitung fördern Aggregate der Baureihe Smart Digital die benötigten Chemikalien mit hoher Präzision. Dank der integrierten Volumen­strommessung vergleicht die Dosierpumpe den aktuellen Dosiervolumenstrom mit dem Sollwert und passt ihre Dosiermenge an. Um das Chemikalienmanagement in Dosieranwendungen zu vereinfachen, steht eine spezielle App zur Verfügung. Damit müssen sich Betreiber von Kühltürmen keine Sorgen mehr um gefährliche Chemikalien, die Berichterstattung, die Dokumentation und die Überwachung machen.

Smarte Absalz-Steuerung

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Beispiel einer ineffizienten manuellen Absalzsteuerung vor Ort.

Nach den Aufbereitungsschritten für die Wiederverwendung des Wassers besteht ein hohes Risiko, dass sich biologische Verunreinigungen ausbreiten. Das kann zu Korrosion, Verstopfungen durch einen Biofilm sowie zur Entstehung konzentrierter Feststoffe in Form von Ablagerungen führen. Diese wiederum können Korrosion oder Blockierungen nach sich ziehen oder den Gesamtwirkungsgrad des Kühlturms verringern. Reduzieren lassen sich diese Effekte, indem man das Speisewasser richtig aufbereitet und in Kombination dazu Chemikalien in den Kühlwasserkreislauf gibt. Ab einem bestimmten Punkt ist die Konzentration der Verunreinigungen jedoch zu hoch, um das Wasser kosteneffektiv durch die Anlage zirkulieren zu lassen.

Erreicht die Konzentration ein bestimmtes – je nach Kühlturm individuelles – Niveau, müssen die Feststoffe abgelassen werden – die sogenannte Absalzung – und neues Wasser („Zusatzwasser“) muss in die Anlage gespeist werden, um den Wasserhaushalt aufrechtzuerhalten. Die sogenannte Eindickungszahl beschreibt das Verhältnis der Verunreinigungen bzw. des Gesamtgehalts an gelösten Feststoffen im zirkulierenden Wasser zum Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen im Zusatzwasser.

Eine direkte Messung des Gesamtgehalts an gelösten Feststoffen ist in der Praxis schwierig. Stattdessen lässt sich die elektrische Leitfähigkeit für die Berechnung heranziehen, beispielsweise mit dem DID-Mess- und Regelgerät: Es besteht aus zwei Leitfähigkeitssensoren (einem für das Zusatzwasser und einem für den Kühlwasserkreislauf) und einem Bediengerät (CU 382). Das DID schreitet ein, wenn das Kühlwasser einen kritischen Gehalt an gelösten Feststoffen aufweist. Dadurch kann automatisch eine Absalzung eingeleitet werden, und die Zusatzwasser-Ventile werden aktiviert. So bleibt die Wasserqualität innerhalb der optimalen Parameter und der Wasserhaushalt auf Idealniveau, ohne dass ein manuelles Eingreifen erforderlich ist. Darüber hinaus benachrichtigt das Gerät die Chemikalien-Dosierpumpe über die erforderliche Biozid-Dosierung, um eine Über- oder Unterdosierung zu vermeiden und das Bakterienwachstum unter Kontrolle zu halten.

Pumpentechnik kann bis zu 70 % Energiekosten sparen

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Diese Pumpen-Baureihen sind vielfach in Kühlprozessen installiert.

Kühlpumpen zählen gewöhnlich zu den Aggregaten im Unternehmen, die rund um die Uhr laufen. Das bedeutet, dass Kälteanwendungen – nicht nur mit wiederverwendetem Kühlwasser – erheblich von der Regelungsstrategie, der Systemeffizienz und dem Lastprofil beeinflusst werden. In der Praxis finden sich viele Anlagen, wo die Systemkomponenten nicht besonders gut aufeinander abgestimmt sind: Der Betreiber kauft einen Kältekompressor bei dem einen Lieferanten, den Kühlturm bei einem anderen, dann die Pumpen beispielsweise bei einem Pumpenlieferanten und sucht sich dann einen lokalen Anlagenbauer, der alles zusammenfügt. Wenn dieser dann wenig Erfahrung mit solchen Projekten hat, nicht weiß, wie sich die Einzelkomponenten optimal miteinander verbinden lassen, laufen dem Betreiber die Kosten davon.

Wenn Hydraulik, Antrieb und MSR-Technik dagegen aufeinander abgestimmt sind, lassen sich bis zu 70 % der Energiekosten sparen. Grundfos nennt diesen Ansatz iSolutions. Die Hocheffizienz-Pumpen in der Kälteversorgung wie Norm- und Blockpumpen NKE bzw. NBE und Inlinepumpen TPE arbeiten mit einem drehzahlregelbaren MGE-Motor der 3. Generation (Leistung derzeit bis 11 kW mit IE5-Klassifizierung) dann nicht nur sparsam, sie reagieren mit smarten Sensoren zudem auf kleinste Veränderungen in der Anlagentechnik und greifen aktiv in das Geschehen ein. Zudem sorgen intelligente Regelungsmodi für eine gesicherte Integration in Versorgungskreisläufe.

Temperaturregelung in industriellen Kältenanwendungen

Industrielle Kälteanwendungen haben selten eine konstante Last. Betrachtet man als Beispiel einen standardmäßigen Wärmeübertrager, gibt es drei wesentliche Möglichkeiten, um die Temperatur zu regeln – jede Lösung verfolgt das gleiche Ziel: eine konstante Temperatur aus dem Wärmeübertrager aufrechtzuerhalten.

  • Variante 1 besteht aus einem Regulierventil und einer Pumpe, die konstant bei voller Drehzahl läuft.
  • Variante 2 reguliert die Temperatur ebenfalls mit einem Ventil; doch sie arbeitet mit einer Pumpe und einem externen Frequenzumrichter, um einen konstanten Differenzdruck aufrechtzuerhalten. Diese Lösung hat den Vorteil, überschüssigen Druck im System zu vermeiden und im Vergleich zum ersten Aufbau Energie zu sparen. Doch das Problem von Druckverlusten durch das Ventil besteht weiterhin, und die Investitionskosten steigen, da sowohl ein Regulierventil als auch ein Frequenzumrichter erforderlich sind. Zudem wird das System komplexer, da man hier zwei Regulierungen hat, um auf einen Betriebspunkt zu kommen.
  • Variante 3 verfolgt einen direkteren Ansatz: Es ist kein Regulierventil erforderlich, da ein Sensor die Temperatur an der wichtigsten Stelle misst – also im Wärmeübertrager – und das Signal direkt an die Pumpe sendet, die über einen integrierten Frequenzumrichter verfügt. Die Pumpendrehzahl ändert sich abhängig davon, welcher Durchfluss benötigt wird, um die richtige Temperatur zu erhalten. Vorteil: Zusätzliche Schaltschränke für externe Umrichter entfallen ebenso wie Regulierventile; es sind also keine Druckverluste über das Ventil zu erwarten, die drehzahlregulierte Pumpe hält unabhängig von Lastschwankungen eine hohe Effizienz aufrecht und verbraucht weniger Energie.

Es ist zudem möglich, Temperaturdaten zu überwachen und zu speichern – besonders nützlich für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie und auch für pharmazeutische Unternehmen, in denen alles dokumentiert werden muss. Bei Anlagen, in denen der Betriebspunkt konstant ist, funktionieren alle drei Strategien gleich gut. Doch wenn die Last verringert wird, bietet die direkte Temperaturregelung optimale Effizienz und Energieeinsparungen. Ausnahme: Muss die Pumpe mehr als einen Kühlkreislauf versorgen, versteht das System nicht, welche Pumpe es regulieren soll. Also ist in diesem Fall Variante 2 mit konstantem Differenzdruck zu wählen.

 

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