Mobiles Mess- und Analysesystem für Wärmetauscher

TU Berlin verbessert Ultraschallmessung

Durchflussmessung im Kältenetz des Vivantes-Klinikums Spandau. © Adakom

Wie Flüssigkeiten in Rohren fließen und welche Temperatur sie haben, kann mit einem neuen Ultraschallsystem sehr viel genauer gemessen werden. Das Forschungsprojekt "nivEx" hat dafür Korrekturalgorithmen entwickelt.

"nivEx" wird im Rahmen des Forschungsprogramms "Energiewendebauen" gefördert. Es geht dabei um die Optimierung des Betriebs und des Designs von Wärmetauschern auf Grundlage von Betriebsdaten. Im Projekt wurde ein mobiles Mess- und Analysesystem entwickelt, das Temperatur und Durchflüsse eingriffsfrei im laufenden Betrieb mit einer bisher nicht marktverfügbaren Präzision und Belastbarkeit erfasst. Durch die Kombination der Messdaten mit hochauflösenden thermohydraulischen Modellen der Wärmeübertrager können nach Angaben der Entwickler weitreichende Optimierungsanalysen gemacht werden.

Nicht-invasive Ultraschall-Messungen vereinfachen durch eine schnelle und eingriffsfreie Anbringung detaillierte Messungen von hydraulischen Systemen und damit deren Betriebsoptimierung. Dabei wird das Messgerät von außen auf das Rohr aufgesetzt (Clamp-On) im Gegensatz zu Messungen im Rohr (In-Line).

Das Fachgebiet Maschinen- und Energieanlagentechnik der TU Berlin und die Physikalisch Technische Bundesanstalt haben im ersten Schritt die Korrekturalgorithmen erarbeitet, die Messungenauigkeiten bei der Clamp-On-Durchfluss- und der Clamp-On-Temperaturmessung kompensieren. Die Firma Adakom liefert in einem zweiten Schritt die darauf aufsetzenden Wärmübertrager-Betriebsanalysen.

Die Messungen können beispielsweise für das Fouling-Monitoring in Wärme- oder Kältenetze eingesetzt werden. Mit dem Begriff "Fouling" werden Ablagerungen in Rohren und Apparaten zusammengefasst, etwa durch Kalk oder Biofilme. Der wirtschaftliche Schaden durch Wärmeübertragerfouling schätzen Experten auf 0,25 Prozent des Bruttoinlandprodukts von Industrienationen, was allein in Deutschland jährliche Kosten in Höhe von etwa neuen Milliarden Euro bedeutet.

Im Rahmen des Projekts wurden bereits Optimierungsanalysen für Kältezentralen, Eisspeicher und Druckluftkühlung gemacht. Das Mess- und Analysesystem identifizierte fehlerhafte Betriebsweisen und/oder Fehlauslegungen von Wärmetauschern. Die Optimierungsempfehlungen können den Aufwand bei Druckverlusten in Kühl- und Heizsystemen zu verringern, bauliche Veränderung des Wärmetauschers erleichtern, Neuauslegung und Betriebsprognosen optimieren, den Energieverbrauch von Prozessen etwa in Wärmeübertrager-Netzwerken und den hydraulischer Abgleich erleichtern.

Wärmetauscher werden heute auf Basis weniger stationärer und theoretisch vorgegebener Betriebsparameter ausgelegt. Die tatsächlichen Betriebsbedingungen weichen jedoch oft deutlich von diesen Annahmen ab. So finden unter Umständen dynamische Prozessführungs-, Medien-, Werkstoff- und Oberflächenveränderungen etwa durch Fouling oder Korrosion sowie das Langzeitverhalten innerhalb der Auslegung keine Berücksichtigung. Fehlende Kenntnisse über den energieeffizienten Betrieb, die Nutzung und Integration vorhandener Energiequellen sowie über notwendige Wartungsaufwendungen führen ebenfalls dazu, dass die Wärmetauscher im Design nur unzureichend auf den Anwenderprozess abgestimmt werden.

Die Ultraschall-Durchfluss-Messtechnik kann auch bei ungünstigen Einbaubedingungen – etwa hinter Rohrbögen – Ergebnisse von hoher Präzision liefern. Das im Projekt entwickelte Messsystem wurde für die unterbrechungsfreie Betriebsanalyse und -optimierung von Wärmetauschern entwickelt.

Nicht-invasive Durchfluss- und Temperatur-Messverfahren sind zwar marktverfügbar, unterliegen unter Praxisbedingungen jedoch verschiedenen Störeinflüssen, die bisher nicht korrigiert werden, schreiben die Projektmitarbeiter. Ultraschall-Durchflussmessungen werden durch Rohrkrümmer, Ventile oder Medien-Inhomogenitäten negativ beeinflusst, so dass es zu hohen Messabweichungen kommen kann. Bei Temperaturmessungen müssen die Anlegetemperaturfühler ausreichend von der Umgebung isoliert und thermische Systemträgheiten müssen berücksichtigt werden, um auf die Mediumstemperatur schließen zu können. Quelle: Energiewendebauen / sue

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