Die 9 häufigsten Fehler bei der Installation und Inbetriebnahme eines Wärmetauschers

Was sind die 9 häufigsten Fehler bei der Installation und Inbetriebnahme eines Wärmetauschers:

In der über 40-jährigen Geschichte von SACOME als Referenz im Bereich Wärmetauscher und Prozessindustrie hat unser Unternehmen Tausende von Geräten für vielfältige und unterschiedliche Anwendungen geliefert.

In diesem Artikel haben wir die typischsten Fehler bei der Installation und Inbetriebnahme eines Wärmetauschers zusammengestellt, Fehler, die sich negativ auf die Leistung des Geräts auswirken können und in einigen Fällen sogar zu Defekten oder Ausfällen führen können.

Aus diesem Grund empfehlen wir unseren Kunden, die Ratschläge unserer Technischen Abteilung sowie die Installationsempfehlungen in unserer Bedienungs- und Gebrauchsanweisung zu befolgen.

1. Falsche Anordnung der Strömungsrichtungen der Flüssigkeiten im Wärmetauscher.

Je nach Strömungsrichtung der heißen und kalten Flüssigkeit in einer Anlage gibt es zwei Möglichkeiten, einen Wärmetauscher zu installieren, wie die folgende Abbildung zeigt:

Außer in bestimmten sehr speziellen Anwendungen ist ein Wärmetauscher am effizientesten, wenn er im Gegenstrom installiert wird, da diese Anordnung eine größere mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (abgekürzt LMTD) zwischen dem heißen und dem kalten Medium ermöglicht, was zu einer besseren thermischen Leistung und damit zu einer geringeren Austauschfläche führt. Bei bestimmten Prozessen kann jedoch eine Anordnung im Gleichstrom vorzuziehen sein. Aus diesem Grund empfiehlt Ihnen unser technischer Kundendienst in der Planungsphase die für Ihren speziellen Fall beste Lösung.

Wenn der Kunde jedoch die Anlage installiert und in Betrieb nimmt, kann es vorkommen, dass er die Ein- und Ausgänge versehentlich falsch anordnet, sodass die Anlage im Gleichstrom statt im Gegenstrom betrieben wird, was aus den oben genannten Gründen einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Wärmetauschers haben kann.

Um diese Situation zu veranschaulichen, nehmen wir ein Beispiel. In der folgenden thermischen Berechnung geben wir einen im Gegenstrom berechneten Prozess wieder:

Nun simulieren wir denselben Wärmetauscher mit demselben Verfahren, berücksichtigen diesmal jedoch die Anordnung in Gleichstrom:

Wie wir sehen können, geht das Team von einer perfekten Durchführung des Prozesses (da die Flächenüberschreitung 14,92 % beträgt) zu einer negativen Flächenüberschreitung (-29,33 %) über, sodass es an Austauschfläche mangelt und die Temperaturen nicht erreicht werden können. Die Erklärung dafür ist, dass sich die durchschnittliche logarithmische Temperaturdifferenz (in den Tabellenkalkulationen als EMTD angegeben) von 26 °C (bei Gegenstrom) auf 16 °C (bei Gleichstrom) verringert, wodurch die thermische Leistung des Geräts beeinträchtigt wird.

In der Praxis reicht es aus, um solche Probleme zu vermeiden, die Anordnung der Ein- und Ausgänge gemäß dem Fertigungsplan, den wir dem Kunden zusenden, einzuhalten, der in den allermeisten Fällen einer Gegenstromanordnung entspricht.

2. Überdruck aufgrund eines schlecht konzipierten geschlossenen Wasserkreislaufs.

Es gibt verschiedene Gründe, warum während des Betriebs eines Rohrwärmetauschers ein ungewöhnlicher Überdruck auftreten kann, darunter Wasserschläge oder eine Überhitzung einer der Arbeitsflüssigkeiten. Dieser Überdruck kann sowohl zu einer plastischen Verformung als auch zu einem teilweisen oder vollständigen Bruch des Mantels oder der Innenrohre oder zum Zusammenbruch des Faltenbalgs führen, was zur Unbrauchbarkeit der Anlage führen kann.

In diesem Zusammenhang fügen wir einige typische Fotos von Zusammenbrüchen von Wärmetauschern und insbesondere der Dehnungsfuge aufgrund von Überdruck auf der Mantelseite bei:

Im vorliegenden Fall, bei Überdruck in einem schlecht konzipierten Warmwasserkreislauf, ist es unerlässlich, einen Ausdehnungsbehälter in den geschlossenen Wasserkreislauf einzubauen. Diese Komponente hat die Aufgabe, den Druckanstieg der Wärmeträgerflüssigkeit (z. B. Wasser oder Glykolwasser) beim Erhitzen aufzunehmen. Wenn sich die Temperatur dieser Flüssigkeit erhöht, neigt sie dazu, auch ihr Volumen zu vergrößern. Befindet sich die Flüssigkeit in einem geschlossenen Volumen und gibt es keine Komponente, die diese Ausdehnung auffangen kann, entstehen erhebliche Überdrücke, die zum Zusammenbruch von Elementen wie der Dehnungsfuge oder den Innenrohren des Wärmetauschers führen können.

Nachstehend finden Sie ein Schema eines geschlossenen Wasserkreislaufs, in dem neben anderen notwendigen Komponenten wie Pumpen, Manometern, Ventilen, Abflüssen oder Sichtgläsern auch das Ausdehnungsgefäß oder der Ausgleichsbehälter zu sehen ist. Es handelt sich um eine typische Anlage für die Wärmerückgewinnung in einer Fabrik.

3. Blockieren der Halterungen.

Je nach Anordnung der Anlage (horizontale oder vertikale Installation, ein oder mehrere Module in Reihe usw.) kann der Wärmetauscher auf verschiedene Weise auf dem Fundament aufgestellt oder abgestützt werden. Bei einem einzelnen, horizontal angeordneten Modul kann dieses beispielsweise auf zwei Stützen oder Füßen aufgestellt werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wenn die Befestigungsschrauben am Boden so verankert sind, dass keine Bewegung möglich ist, werden übermäßige Spannungen auf die Dehnungsfuge und die Rohr-Platten-Schweißnähte ausgeübt, was zu Rissen in diesen Schweißnähten führen kann. Aus diesem Grund sollte bei einer Befestigung des Wärmetauschers an zwei Punkten einer dieser Punkte verschiebbar sein oder eine freie Ausdehnung ermöglichen.

In vielen Fällen ist die Halterung oder der Rahmen im Lieferumfang enthalten. In diesem Fall berücksichtigen wir bereits diese konstruktiven Details. Ist dies jedoch nicht der Fall und der Kunde entscheidet sich für eine andere Lösung, ist es wichtig, dass das Installationsunternehmen diese Details berücksichtigt, um Spannungen (und mögliche Beschädigungen) am Gerät zu vermeiden. Dies ist eine der Empfehlungen, die wir in unserer Bedienungs- und Gebrauchsanweisung aufführen.

4. Schlechtes Design der Kondensatleitung.

In einem Kondensator oder Wasser-/Dampfwärmetauscher kann es bei unzureichender Kondensatableitung zu einer Überflutung der Gehäuseseite kommen, wodurch der eintretende Dampf auf die Flüssigkeitsschicht trifft und starke Geräusche und Vibrationen verursacht. Um diese Anomalie zu erkennen, genügt es, vorsichtig die Ober- und Unterseite des Gehäuses des Geräts zu berühren, sobald es mit Dampf betrieben wird. Wenn die Oberseite heiß und die Unterseite kalt ist, ist das Gehäuse möglicherweise bis zu dem Punkt überflutet, an dem sich die Oberflächentemperatur ändert. Diese Anomalie ist eine der Arten von Druckstößen, die in einer Prozessleitung auftreten können.

5. Übermäßige Verschmutzung oder „Fouling“.

„Fouling“ ist ein Phänomen, das den Wärmeübergangskoeffizienten verringert, den Druckverlust erhöht und sogar Korrosionsprozesse auslösen und beschleunigen kann. Es gibt verschiedene Mechanismen der Verschmutzung: Kristallisation (typisch bei sehr hartem Wasser, das reich an Salzen wie Kalziumkarbonat und Kalk ist), Sedimentation (Ablagerung von Sand, Rost oder anderen Schwebstoffen), chemische (bei Prozessen, bei denen das Produkt durch die Temperatur zersetzt werden kann), Gefrieren (wenn ein Teil des Produkts durch die Prozesstemperaturen gefriert), biologische (wenn unbehandeltes Wasser verarbeitet wird, sodass verschiedene Arten von Organismen oder Mikroorganismen wachsen können), Ausfällung von Proteinen (typisch bei Milchprodukten) u. a.

Angesichts der Komplexität dieses Phänomens ist die Lösung in der Regel nicht trivial und umfasst meist verschiedene Aspekte. Um das Problem zu minimieren und die Produktionszeiten zwischen den Reinigungen zu verlängern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

• Bei der thermischen Berechnung kann ein hoher Flächenüberschuss berücksichtigt oder Verschmutzungsfaktoren als Sicherheitsfaktor eingegeben werden. Dies gibt dem Gerät einen Spielraum für Verschmutzungen und ermöglicht es ihm, weiterhin die erforderlichen Temperaturen zu erreichen.
• Die „verschmutztere” Flüssigkeit auf der Rohrseite zirkulieren lassen, da diese leichter zu reinigen ist als die Mantelseite.
• Entwerfen Sie das Gerät so, dass eine hohe Prozessgeschwindigkeit für die Prozessflüssigkeit gewährleistet ist und die Verschmutzung minimiert wird.
• Verwenden Sie ein Design mit geflanschten Rohrplatten, damit bei Bedarf die Reduzierung oder der Kopf demontiert werden kann und Zugang zur Rohrseite besteht.
• Falls die verschmutzte Flüssigkeit auf der Mantelseite zirkuliert, entscheiden Sie sich für ein Design mit demontierbarem Rohrbündel.

6. Produkteigenschaften, die von den in der Entwurfsphase vorgesehenen Eigenschaften abweichen.

Es handelt sich hierbei nicht um einen Fehler, der mit einer fehlerhaften Installation oder Inbetriebnahme in Verbindung gebracht werden kann, sondern vielmehr um einen Konstruktionsfehler. Da dieser jedoch manchmal unterschätzt werden kann, halten wir es für angebracht, ihn in diesem Artikel zu erwähnen.

Um die Wärmeberechnung eines Wärmetauschers korrekt zu simulieren, ist es unbedingt erforderlich, die thermischen Eigenschaften der Flüssigkeiten, die auf der Rohr- und Mantelseite zirkulieren, so genau wie möglich zu kennen.

Die wichtigsten thermischen Eigenschaften sind die Dichte, die spezifische Wärme, die Wärmeleitfähigkeit sowie die Viskosität oder die Viskositätskurven, je nachdem, ob es sich um eine newtonsche oder nicht-newtonsche Flüssigkeit handelt.

Bei SACOME verfügen wir über eine umfangreiche Datenbank mit mehr als 600 Flüssigkeiten. Dank unserer engen Zusammenarbeit mit den Labors verschiedener Universitäten können wir außerdem, wenn es sich bei dem zu behandelnden Produkt um ein neues Produkt auf dem Markt handelt oder wenn unser Kunde die oben genannten Parameter nicht kennt, Eigenschaftstests in deren Labors durchführen. Dies bietet uns eine sehr solide Grundlage, auf der wir die für die Bedürfnisse des Kunden am besten geeignete Anlage berechnen können.

Anhand eines einfachen Beispiels wollen wir nun veranschaulichen, welchen Einfluss die Veränderung einiger dieser Parameter auf den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers haben kann.

Bei einem zufälligen Temperaturprogramm ergibt sich folgende thermische Berechnung für eine Anlage, bei der wir davon ausgegangen sind, dass sowohl auf der Mantelseite als auch auf der Rohrseite Wasser zirkuliert:

Und dies ist die Berechnung für denselben Wärmetauscher, aber in diesem Fall hat die Flüssigkeit eine Viskosität von 5 cP, was in etwa der Viskosität bestimmter Säfte entspricht:

Wie zu sehen ist, ergibt die Berechnung mit der viskoseren Flüssigkeit einen deutlich negativen Flächenüberschuss, sodass für den Prozess nicht genügend Austauschfläche zur Verfügung stünde. Im ersten Fall (Produkt mit der Viskosität von Wasser) hingegen würde der Prozess einwandfrei ablaufen. Um solche Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, unserer Technischen Abteilung alle verfügbaren Informationen über die zu verarbeitenden Produkte zu übermitteln, damit unsere Techniker die entsprechenden thermischen Eigenschaften berücksichtigen können.

Angesichts der Bedeutung, die dieser Aspekt haben kann, widmen wir ihm einen Fachartikel, um ihn eingehender zu behandeln:

https://www.sacome.com/de/analyse-der-thermischen-eigenschaften-von-flussigkeiten

7. Korrosion durch Verwendung einer zu aggressiven Reinigungsflüssigkeit.

Die Verschmutzung oder „Fouling“ eines Wärmetauschers ist ein komplexes Phänomen, das zu verschiedenen Arten von Ablagerungen und Verkrustungen führen kann, wie z. B. Öl- und Fettablagerungen, Kalkablagerungen, verschiedene Arten von organischen Ablagerungen, Schlamm oder Metalloxide. Bei der chemischen Reinigung (Cleaning-in-Place oder kurz CIP) können Reinigungslösungen mit verschiedenen Wirkstoffen und Konzentrationen verwendet werden, wie z. B. Salzsäure (HCl), Phosphorsäure (H₃PO₄), Salpetersäure (HNO₃), Zitronensäure (C₆H₈O₇), Natronlauge (NaOH) und verschiedene Polyphosphate (wie NaPO₄ oder Na₃PO₄).

Einige dieser Wirkstoffe sind sehr aggressiv, was in Verbindung mit den Temperaturen, bei denen diese chemische Reinigung normalerweise durchgeführt wird (in der Regel zwischen 60 °C und 80 °C), zu Korrosionsproblemen (allgemein oder lokal, wie Lochfraß oder Spaltkorrosion) im Baumaterial des Wärmetauschers führen kann.

Im Folgenden geben wir einige grundlegende Richtlinien, die bei der Durchführung einer CIP-Reinigung zu beachten sind:

• Konsultieren Sie ein spezialisiertes Unternehmen hinsichtlich der zu verwendenden Reinigungsprodukte und Konzentrationen sowie des Reinigungsprotokolls unter Berücksichtigung des Baumaterials des Wärmetauschers, sowohl der Rohre als auch der Dichtungen.
• Verwenden Sie nur Reinigungsprodukte und Konzentrationen, die den Empfehlungen dieses spezialisierten Unternehmens entsprechen. Produkte wie Salzsäure (HCl), Phosphorsäure, Salpetersäure u. a. können bei hohen Temperaturen sehr aggressiv sein.
• Nach Abschluss des chemischen Reinigungszyklus sollte eine vollständige Spülung mit Wasser erfolgen. Andernfalls kann sich die Lösung absetzen und in bestimmten Bereichen der Anlage die Konzentration des Reinigungsmittels erhöhen, wodurch das Korrosionsrisiko steigt.

8. Korrosion durch Verwendung von Betriebswasser mit hohem Chloridgehalt.

Manchmal verwendet der Kunde unbehandeltes oder minderwertiges Brauchwasser mit einer hohen Konzentration an Salzen und Chloridionen in ppm, was in Verbindung mit hohen Prozesstemperaturen zu lokaler Korrosion führen kann, wenn die Qualität des verwendeten Edelstahls nicht ausreichend ist.

Auf dem Bild sehen wir den Einlassanschluss des Mantels einer Anlage mit Betriebswasser, das eine hohe Härte und eine hohe Konzentration an Cl- in ppm aufweist, was zu einer erheblichen Verschmutzung geführt und die Korrosion der Rohre ausgelöst hat.

9. Einfrieren des Produkts.

Wenn die Geräte beim Abschalten des Systems nicht vollständig entleert werden und noch Flüssigkeit darin verbleibt und die Umgebungstemperatur unter 0 °C fällt, besteht die Gefahr, dass diese stehende Flüssigkeit gefriert, was zu Schäden an den Rohren der Wärmetauscher führen kann. Wir empfehlen daher, an den tiefsten Stellen der Anlage Ablassventile zu installieren. Auf dem Bild sehen Sie ein Gerät, das durch Wasser beschädigt wurde, das im Inneren verblieben war und sich bei Temperaturen unter 0 °C verfestigt hat.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Frostschutzmittel (z. B. Propylenglykol in geeigneter Konzentration) zu verwenden, deren Gefrierpunkt unter dem von Wasser liegt.

Aus all diesen Gründen empfehlen wir unseren Kunden, die Empfehlungen unseres technischen Kundendienstes und die in unserer Bedienungs- und Gebrauchsanweisung beschriebenen Verfahren zu befolgen.

Technische Dokumentation zu unseren Wärmetauschern