Betriebsoptimierung
Mobiles Mess- und Analysesystem für Wärmetauscher

Für eine erhöhte Belastbarkeit und Präzision von Clamp-On-Messungen entwickeln die Forscher in diesem Projekt Korrekturalgorithmen für Clamp-On-Durchfluss- und Clamp-On-Temperaturmessungen. Die Ultraschall-Durchfluss-Messtechnik kann auch bei ungünstigen Einbaubedingungen - z. B. hinter Rohrbögen - durch  die Korrekturalgorithmen  belastbare Ergebnisse von hoher Präzision  liefern. Das Messsystem wird für die unterbrechungsfreie Betriebsanalyse und -optimierung von Wärmeübertragern und Wärmeübertragernetzwerken entwickelt. Durch Kombination der Messdaten mit hochauflösenden thermohydraulischen Modellen der Wärmeübertrager können weitreichende Betriebsoptimierungsanalysen durchgeführt werden.

Wärmeübertrager bestimmen die energetische Effizienz und somit die Betriebskosten technischer Anlagen wesentlich. Dies betrifft Kosten für Wärme- bzw. Kältebereitstellung, Pumpenleistung, Reinigungskosten sowie Produktionsausfallkosten). Ihre Betriebsführung hat entscheidenden Einfluss auf Produktqualität und Betriebssicherheit. Im Forschungsprojekt „nivEx“ geht es um die Optimierung des Betriebs und des Designs von Wärmetauschern auf Grundlage belastbarer Betriebsdaten. Dazu wird ein mobiles Mess- und Analysesystem entwickelt, das Betriebsdaten eingriffsfrei im laufenden Anlagenbetrieb mit einer bisher für die verwendete Technik nicht marktverfügbaren Präzision und Belastbarkeit erfasst. So können die Messungen beispielsweise für das Fouling-Monitoring in Wärmeübertrager-Netzwerken - z.B. Wärmenetze oder Kältenetze - eingesetzt werden. Mit dem Begriff „Fouling“ werden allgemein Ablagerungen in den Rohren und Apparaten zusammengefasst, beispielsweise durch Kalk oder Biofilme. Der wirtschaftliche Schaden durch Wärmeübertragerfouling wird durch Experten auf 0,25% des Bruttoinlandprodukts von Industrienationen geschätzt, was allein in Deutschland jährliche Kosten in Höhe von etwa 9 Mrd. Euro bedeutet.  Der Anwender des Messsystems wird durch die Messung und Analyse von einem Expertensystem geführt. Die neu entwickelten Methoden sind universell einsetzbar und nicht auf den Anwendungsfall „Wärmeübertragermonitoring“ beschränkt.

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 - z.B. Fouling oder Korrosion - sowie das Langzeitverhalten innerhalb der Auslegung keine Berücksichtigung. Fehlende Kenntnisse über den energieeffizienten Betrieb, die Nutzung und Integration vorhandener Energiequellen (mittels Pinch-Analyse) sowie über notwendige Wartungsaufwendungen führen ebenfalls dazu, dass die Wärmetauscher im Design nur unzureichend auf den Anwenderprozess abgestimmt werden.
Nicht-invasive Durchfluss- und Temperatur-Messverfahren sind zwar marktverfügbar, unterliegen unter Praxisbedingungen jedoch verschiedenen Störeinflüssen, die durch marktverfügbare Technik nicht korrigiert werden. Ultraschall-Durchflussmessungen werden beispielsweise durch Rohrkrümmer, Ventile oder Medien-Inhomogenitäten negativ beeinflusst, so dass es zu hohen Messabweichungen kommen kann. Anlegetemperaturfühler müssen ausreichend von der Umgebung isoliert, thermische Systemträgheiten müssen berücksichtigt werden, um auf die Mediumstemperatur schließen zu können.

Forschungsfokus

Das Mess- und Analysesystem wird auf Grundlage kommerziell verfügbarer Ultraschall-Clamp-On Durchflussmesstechnik (USD) und kommerziell verfügbaren Rohranlegetemperaturfühlern  aufgebaut. Mit USD-Technik lassen sich bei rotationssymmetrischen Strömungsbedingungen gute Messgenauigkeiten für ein breites Spektrum an Medien, Rohrmaterialien/-durchmessern und Prozessbedingungen erreichen. Das Rohrleitungssystem um einen Wärmetauscher enthält jedoch häufig Störstellen wie Rohr- und Raumkrümmer. Sie beeinflussen die Messgenauigkeit negativ, weil das Strömungsprofil hinter ihnen nicht mehr rotationssymmetrisch ist. In diesem Forschungsprojekt soll deshalb ein von der Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) metrologisch validiertes Anlege-Messsystem für Temperatur und Durchfluss entwickelt werden, das auch bei ungünstigen Strömungsbedingungen höchsten Genauigkeitsansprüchen genügt.

Das  Fachgebiet Maschinen- und Energieanlagentechnik der TU Berlin sowie die PTB erarbeiten im ersten Schritt Korrekturalgorithmen, die die durch Störgrößen auftretenden Messungenauigkeiten bei der Clamp-On-Durchfluss- und der Clamp-On-Temperaturmessung kompensieren. Die ADAKOM GmbH liefert in einem zweiten Schritt die darauf aufsetzenden Wärmübertrager-Betriebsanalysen. Den Abschluss der Entwicklung bilden Feldtests, die in 2018 geplant sind und den technischen und wirtschaftlichen Nutzen belegen sollen. Feldtestpartner sind das Karlsruher Institut für Technologie, ADM WILD Europe GmbH & Co. KG, MAN Diesel & Turbo SE, Vivantes, Kühner Wärmetauscher und die Brandenburgischen Liegenschaftsbetriebe (BLB). Die Feldtests werden in verschiedenen Anwendungsfeldern von Gebäudetechnik, über Lebensmittelindustrie bis hin zur Großindustrie durchgeführt.

Erfolge

Im Rahmen des Projekts wurden bereits Optimierungsanalysen für Kältezentralen, Eisspeicher, Druckluftkühlung und Pasteurisationsanlagen erfolgreich durchgeführt.

Anwendung

Mit dem entwickelten Mess- und Analysesystem werden fehlerhafte Betriebsweisen und/oder Fehlauslegungen von Wärmetauschern identifiziert und fallspezifische Optimierungsempfehlungen erstellt. Die Optimierungsempfehlungen können beispielsweise folgende Maßnahmen bzw. Anwendungsbereiche betreffen:

• Aufwandsminimierung hinsichtlich Druckverlusten bzw. die Kühl-/Heizleistung betreffend
• Rekonditionierung, d. h. eine bauliche Veränderung des Wärmetauschers
• Neuauslegung
• Betriebsprognosen
• Pinch-Analyse zur systematischen Optimierung des Energieverbrauchs von Prozessen, in diesem Fall der Energieintegration in Wärmeübertrager-Netzwerken
• Fouling-Monitoring und -Forecast Optimierung der thermischen Belastung von Produkten
• Reduktion von Stillstandszeiten und Nebenprozessen (z.B. Reinigung)
• Hydraulischer Abgleich.