Mit Clamp-On Sensorik Wärmeübertragerfouling ohne Betriebsunterbrechung detektieren

  •  Clamp-On Durchflussmessung  © TU-Berlin/nivEx/Buchin Clamp-On Durchflussmessung © TU-Berlin/nivEx/Buchin
  •  Clamp-On Durchflussmessung  © TU-Berlin/nivEx/Buchin
  • lamp-On Durchflussmessung an einem Doppelrohr-Wärmeübertrager (ADM WILD Europe)© TU-Berlin/nivEx/Buchin
  • Rohrsegmentschnitte des Innenrohrs mit Salzkristallen und schematische Darstellung des ­Foulingaufbaus über die Rohrlänge© Adakom
  • Prozessseitiger Druckverlustverlauf und dessen gleitender Mittelwert für die Wärmeübertrager WÜ1 und WÜ2. Rote Linien markieren Zeitpunkte der Salzzugabe © Adakom
  • Vergleich der prozessseitigen Temperaturspreizungen (Differenz von Austrittstemperatur und Eintrittstemperatur) der Clamp-On-Sensorik mit der Inline-Sensorik für die Wärmeübertrager WÜ1 und WÜ2. Darstellung enthält neben Messwerten auch deren gleitenden Mittelwert. Rote Linien markieren Zeitpunkte der Salzzugabe © Adakom
  • Vergleich der Foulingwiderstände bei Berechnung über Clamp-On-Daten und Berechnung über ­Inline-Daten für die Wärmeübertrager WÜ1 und WÜ2 © Adakom
  • Adakom BMWi-Logo © Adakom
  • M.Sc. David Dehler, nivEx-Projektleiter F&E, Adakom

Der volkswirtschaftliche Schaden von Wärmeübertragerfouling wird auf 0,25 % des BIP in industrialisierten Ländern geschätzt, was allein in Deutschland etwa 9 Mrd. EUR pro Jahr entspricht. In einer gemeinsamen Messkampagne des Instituts für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (ICTV) der TU Braunschweig und Adakom konnte bestätigt werden, dass Fouling in Wärmeübertragern mit mobiler Clamp-On-Sensorik detektiert werden kann.

Ziel der Untersuchung war es, die Clamp-­On-Messtechnik auf ihre Foulingdetektionsfähigkeit und somit ihre Tauglichkeit zur Prozessgüte­überwachung zu überprüfen. Dafür wurden kontrollierte Betriebsbedingungen an einem Foulingprüfstand des ICTV eingestellt. Es wurden zwei baugleiche flüssig/flüssig Doppelrohrwärmeübertrager im Gegenstrom betrieben. Als Referenz für die mobile Clamp-On-Technik diente die in der Anlage permanent installierte Inline-Messtechnik. Es zeigte sich, dass die Sensitivität des Clamp-On-Messsystems bei etwa 0,5x10-4 m2 K/W liegt und somit ausreichend hoch ist, um industrieübliche Foulingschichten zu detektieren, die meistens eine Größenordnung höher liegen.

Vorteile des mobilen ­Clamp-On-Messsystems
Es wird eine mobile Clamp-On Wärmemengenmessung basierend auf Clamp-On Durchflussmessung und Clamp-On Temperaturmessung eingesetzt. Die Vorteile der Clamp-On Mess­technik sind zahlreich: Durch Anklemmung von außen an das Rohr findet keine Verunreinigung der Medien statt, es bedarf keiner Rohrarbeiten und somit kommt es für die Installation auch nicht zu Betriebsunterbrechungen. Außerdem verursacht die Messung keine zusätzlichen Druckverluste oder sonstigen Störungen im Anlagenbetrieb. Nahezu an allen industrie­üblichen Flüssigkeiten und Gase sowie Rohrmaterialien und –durchmesser (10 mm …6,5 m) kann mit der Clamp-On-Technik gemessen werden. Fließgeschwindigkeiten von 0,01 m/s bis 35 m/s können gemessen werden. Die Technik ist Ex-Schutz zertifiziert und auch bei extremen Rohrwandtemperaturen (von -200 °C bis + 650 °C) einsetzbar. Die Durchflussmessung bei Flüssigkeiten mit Ultraschall ist druckunabhängig und unempfindlich gegenüber Druckstößen.

Neben der Ultraschall-Clamp-On-Technik für die Durchflussmessung kommen Rohranlege-­Temperaturfühler zum Einsatz, die mit einer Isolierung von Umgebungseinflüssen entkoppelt werden.
Clamp-On Sensorik unterliegt oftmals höheren systematischen Messabweichungen als Inline-Geräte mit z. B. vorkonditionierten Strömungsprofilen. So nehmen marktverfügbar Ultra­schall-Durchflussmessgeräte (USD) immer ein ideal rotationssymmetrisches Strömungsprofil am Messort an, was Einlaufstrecken von 20–100 Durchmessern je nach vorgelagerter Störung entspricht. Häufig sind in Industrie­anlagen diese von USD-Herstellern empfohlenen Ein- und Auslaufstrecken nicht verfügbar, weshalb hier mit nicht-rotationssymmetrischen und rotationsbehafteten Strömungsprofilen zu rechnen ist. Aber auch ausgebildete Strömungsprofile nicht-newtonscher Flüssigkeiten können zu systematischen Messabweichungen führen. Marktverfügbare Clamp-On Temperatursensoren geben ihre Eigentemperatur statt der Mediumstemperatur aus.

Kompensation systematischer Störeinflüsse
Um unter praxisüblichen Messbedingungen trotzdem belastbare Clamp-On Durchfluss- und Temperaturmessungen zu erhalten, entwickelt Adakom derzeit in Zusammenarbeit mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt und der TU Berlin im BMWi-Projekt „nivEx“ neuartige Korrekturalgorithmen zur Kompensation systematischer Störeinflüsse auf Clamp-On Durchfluss- und Temperaturmessungen. Hierbei werden systematische Messabweichungen bei der Durchflussmessung von Flüssigkeiten, die durch typische Störstellen (Rohrbogen, Raumkrümmer, T-Stück etc.) verursacht werden, systematisch korrigiert. Durch die Anwendung physikalisch begründeter Modelle kann stets auf die Mediumstemperatur geschlossen werden. Dies ist bspw. bei besonders dynamischer Temperaturverläufe wie beim An-/Abfahren oder Lastpunktwechsel wichtig, weil durch die thermische Trägheit des Rohrsystems der Anlegetemperatursensor zeitlich verzögert die Änderung der Mediumstemperatur wiedergibt. Durch das von der PTB metrologisch validierte Expertensystem für den Aufbau und die Auswertung der Clamp-On-Messung wird eine erhöhte Belastbarkeit und Präzision der Clamp-On-Messungen erreicht.
Neben der Clamp-On Temperatur- und Durchflussmessung enthält das nivEx-Messsystem auch Sensorik für Druck(differenz)messungen. Weitere Messgrößen (z. B. Vibration, elektr. Leistung, Leitfähigkeit, pH-Wert) können bei Bedarf erfasst werden. Das nivEx-Loggersystem erlaubt zudem das synchrone Loggen von Anlagendaten und mobiler Sensorik. Durch Abgleich der Anlagensensorik mit der temporär installierten mobilen Sensorik können so frühzeitig Fehler in der Anlagensensorik detektiert werden. Außerdem ist das Messsystem durch seine OPC-UA-Funktionalität schon jetzt Industrie-4.0-kompatibel und bedient hierüber hinaus alle üblichen Bus-Schnittstellen. Das mobile Messsystem ist weltweit sehr schnell einsatzfähig und durch einen modularen Aufbau beliebig skalierbar. Auch für örtlich stark verteilte Wärmübertragernetzwerke sind synchronisierte Messungen problemlos möglich.
Die Messung kann sofort ab Messstart aus der Ferne überwacht werden und ist durch eine Cloud-Funktionalität weltweit auf beliebigen Endgeräten mit einem Internetbrowser beobachtbar. Es können neben den Messdaten auch Analysedaten (KPI etc.) zur sofortigen Bewertung des Live-Betriebs ermittelt und visualisiert werden. Durch Kombination der Messdaten mit hochauflösenden thermohydraulischen Modellen der Wärmeübertrager können weitreichende Betriebsoptimierungsanalysen unmittelbar durchgeführt werden. Mögliche Analysen sind bspw. Performance-Überprüfung und -Optimierung während einer Inbetriebnahme (Auslegung vs. Ist-Performance), hydraulischer Abgleich (betriebsmittelseitig) oder Performance-Prognosen für Betriebspunkt-, Medien- oder Apparatewechsel (Retrofit). Im Rahmen von Feldtests wurden bereits Optimierungsanalysen für Kältezentralen, Eisspeicher, Luftzerlegungsanlagen und Pasteurisationsanlagen erfolgreich durchgeführt.

Versuchsaufbau und -durchführung am ICTV
In dem Fouling-Versuchsstand des ICTV werden zwei baugleiche flüssig/flüssig Doppelrohr-Wärmeübertrager (WÜ1 und WÜ2) mit Wasser auf der heißen Seite (Betriebsmittel) und einer wässrigen Salzlösung auf der kalten Seite (Prozessseite) im Gegenstrom betrieben. Die eingesetzte Inline-Mess­technik besteht aus magnetisch induktiven Durchflussmessgeräten (MID) für die Prozessmedium- und Betriebsmitteldurchflüsse, vier Typ K Thermoelementen an den vier Wärmeübertrager-Ein- und Ausgängen sowie einem Differenzdrucksensor, welcher prozessseitig angeschlossen ist. Die eingesetzte, portable Clamp-On-Messtechnik umfasste pro Wärmeübertrager vier Ultraschall-Durchfluss-Kanäle und acht Anlegetemperatursensoren, d. h. sowohl die Temperatur- als auch die Durchflusssensoren wurden redundant angebracht.
Der Versuch lief kontinuierlich über etwa drei Tage (80 Stunden). Nach Aufheizen des Systems erfolgte prozessseitig die Salzzugabe. Aufgrund der mit der Temperatur sinkenden Löslichkeit der Salze wächst im Laufe der Zeit eine Kristallisationsfoulingschicht im Innenrohr. Diese Salzschicht vermindert den Wärmedurchgang und erhöht den prozessseitigen Druckverlust. Es wurde einmal am Tag Salz nachdosiert, um die Anfangssalzkonzentration wieder einzustellen.
Die Kalibrierung der Clamp-On-Temperatur­sensoren erfolgte separat an einem nivEx-­Prüfstand der TU Berlin nach einem nivEx-­eigenen Verfahren unter vergleichbaren Einsatzbedingungen an einem temperierten Rohr, da es keine Vorschriften zur Kalibrierung von Clamp-On-Temperatursensoren gibt. Die nivEx-Korrekturalgorithmen kamen bei dieser Messkampagne noch nicht zum Einsatz. Die im Folgenden gezeigten Ergebnisse basieren also auf den genannten Messgrößen, die mit dem aktuellen Stand marktverfügbarer Technik ermittelt worden.

Ergebnisse
Den prozessseitigen Druckverlustverlauf, aufgetragen über der Betriebszeit. Die vertikalen roten Linien markieren die Zeitpunkte der Salzzugabe. Der Versuch startet mit der ersten Salzzugabe. Es zeigt sich ein deutlicher quantitativer Unterschied zwischen dem Druckverlustaufbau in beiden Wärmeübertrager, der auf ein unterschiedliches Aufwachsen von Fouling schließen lässt.
Die Zeitreihen der prozessseitigen Spreizungen (Temperaturdifferenz zwischen Austritts- und Eintrittstemperatur der Salzwasser-Seite) in den beiden Wärmeübertragern, die jeweils mit Inline- und mit Clamp-On-Sensorik ermittelt wurden. Die Salzlösung wurde bei Versuchsbeginn um etwa 7,5 K beim Durchströmen des Innenrohrs erwärmt. Der Abfall der prozessseitigen Temperaturspreizungen mit der Versuchsdauer lässt den verringerten Wärmedurchgang aufgrund des ansteigenden Foulingwiderstandes erkennen. Der mit der Clamp-On-Sensorik gemessene Temperaturabfall liegt qualitativ ab Stunde 10 in Übereinstimmung mit dem Verlauf der Inline-Sensorik. Bemerkenswert ist die Überschneidung der Clamp-On Daten mit den Inline-Daten innerhalb der ersten 10 Versuchsstunden. Besonders deutlich ist dies beim WÜ1 aufgetreten. Dies könnte auf Foulingvorgänge an der Inline-Sensorik, insbesondere am Prozessmediumaustritt, hinweisen. In vergleichbaren Anwendungsfällen wäre dann die Verwendung von Clamp-On-Temperatur-Sensorik in foulinggefährdeten Prozessen vorteilhaft.
Den zeitlichen Verlauf des integralen Foulingwiderstandes im Vergleich zwischen Inline-Sensorik und Clamp-On-Sensorik für die beiden Wärmeübertrager. Der Foulingwiderstand ist definiert als

Hierbei sind kf und kc die Wärmedurchgangskoeffizienten im mit Fouling betroffenen Zustand (f: foul) und im sauberen Zustand (c: clean). Der Foulingwiderstand lässt sich außerdem über das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit λf,i und der entsprechenden Schichtdicke δf,i einer Foulingschicht berechnen.
Wie erwartet, ist ein deutlicher Anstieg des Foulingwiderstandes erkennbar. Zusätzlich lässt sich die Salzzugabe mit einer geringen Verzögerung an dem Sprungantwortverhalten in beiden Wärmeübertragern beobachten. Die mit Clamp-On Sensorik ermittelten Foulingwiderstände liegen quantitativ bei beiden Apparaten über den mit Inline-Sensorik ermittelten Widerständen. Bemerkenswert ist hier, dass der thermische Foulingwiderstand im WÜ2 größer ist, während der Druckverlust für den WÜ1 größer ist als für den WÜ2. Dies könnte dadurch bedingt sein, dass es im WÜ1 zu einer lokalisierten Kristallbildung gekommen ist, die den Effekt einer Drossel­blende hat, während über die Lauflänge des WÜ1 bessere Wärmetransportbedingungen herrschten als im WÜ2. Wenn diese Hypothese zutreffend sein sollte, hätte ein allein über den Druckverlust ermitteltes Fouling hier also zu der falschen Schlussfolgerung geführt, dass sich im WÜ1 ein global betrachtet höherer Foulingwiderstand aufgebaut hat.
Abschließend wurde eine Messunsicherheitsbetrachtung durchgeführt, um die Sensitivität der Clamp-On-Messung für eine Foulingwiderstand-Detektion zu beurteilen. Die Sensitivität des Clamp-On-Messsystems wurde mit 0,5x10-4 m2 K/W für den WÜ2 und 0,2x10-4 m2 K/W für den WÜ1 abgeschätzt. Ein Vergleich mit typischen Foulingwiderständen (VDI-Wärmeatlas) zeigt, dass mit der Clamp-On-Messtechnik Fouling daher wahrscheinlich auch in vielen anderen Stoffsystemen detektiert werden kann, weil diese für technische Systeme meistens eine Größenordnung höher als 10-5 m2 K/W liegen. Selbst die geringsten Foulingwiderstände bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten (Meerwasser, besonders hartes Wasser, organische Dämpfe) nehmen gemäß VDI-Wärmeatlas Werte um die 0,9x10-4 m2 K/W an und sind somit größer als die Sensitvität des Messsystems.

Fazit und mögliche Einsatzbereiche
Für das hier untersuchte System kann man schlussfolgern, dass Fouling mit marktverfügbarer Clamp-On-Sensorik mit einer ausreichend hohen Sensitivität detektiert werden kann. Die Messtechnik erlaubt damit im Betrieb eines Wärmeübertragers ein qualitatives Monitoring der Verminderung des Wärmedurchgangs und damit des Foulingaufbaus. Quantitativ zeigen sich deutliche Unterschiede zu mittels Inlinemesstechnik ermittelten Foulingwiderständen. Mittels marktverfügbarer Clamp-On-Messtechnik bestimmte Foulingwiderstände können damit wahrscheinlich nicht ohne weiteres als Grundlage einer Dimensionierung oder Leistungsbewertung von foulingbelegten Wärmeübertragern genutzt werden. Durch den Einsatz der nivEx-Korrekturalgorithmen erwarten die Autoren eine deutliche Reduktion der quantitativen Diskrepanzen. Dies sowie die Überprüfung der oben formulierten Hypothese zur Ursache der gegensätzlichen Verläufe von Druckverlust und Foulingwiderstand werden Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Außerdem sollen weitere Wärmeübertragerbauformen, -betriebsbedingungen, Stoffsysteme, Foulingmechanismen und Prozesse mit Phasenwechsel untersucht werden.
Kooperationen gesucht
Betreiber einer Anlage mit Fouling-Fragestellungen sind eingeladen, Kontakt mit den Autoren aufzunehmen, um zu sondieren, ob z. B. im Rahmen eines Forschungsprojektes eine genauere Untersuchung Ihres Systems mit anschließender Optimierungsanalyse interessant ist. Ziel ist es, möglichst viele Industrienachweise für die Methodik für unterschiedlichste Prozesse zu erbringen. Besonders interessante Industrien sind hierbei Öl/Gas, Chemie, Pharma und Food.

Autor(en)

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Josef-Orlopp-Str. 38
10365 Berlin
Telefon: +49 30 47032310

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