WCS-energy – Energetische Betriebsüberwachung von Nasskühltürmen durch Online-Monitoring

Laufzeit: Mai 2017 - Dezember 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Kooperationspartner: Chemische Fabrik - Apparatebau GmbH & Co. KG
Projektfokus:
Fouling am Rohrbündel eines geschlossenen Nasskühlturms.
© Faunhofer ISE

Fouling am Rohrbündel eines geschlossenen Nasskühlturms.

Modellbasierte Untersuchung des Einflusses von Fouling (hier: Kalkablagerung) auf die Übertragungsleitung eines geschlossenen Verdunstungskühlturms.
© Fraunhofer ISE

Modellbasierte Untersuchung des Einflusses von Fouling (hier: Kalkablagerung) auf die Übertragungsleitung eines geschlossenen Verdunstungskühlturms.

Fouling ist in der Prozesstechnik ein dauerhaftes Problem und verursacht Schätzungen zufolge in industrialisierten Ländern Kosten von 0.25% des Bruttosozialproduktes. Auch Verdunstungskühltürme, wie sie in Industrieprozessen und Kälteanlagen zum Abführen von Abwärme an die Umgebung häufig eingesetzt werden, sind für Fouling anfällig:  da sie mit unbehandelter Außenluft arbeiten, sind sie sowohl natürlichen (z.B. Pollen) als auch menschgemachten (z.B. Industriestaub) Verschmutzungen ausgesetzt.

Da kaum kongruente Daten zum quantitativen Einfluss von Fouling auf die Übertragungsleistung von Kühltürmen verfügbar sind, führt das Fraunhofer ISE eine entsprechende Versuchsreihe durch. Hierzu wird ein geschlossener Kühlturm bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen und bei unterschiedlichen Verschmutzungszuständen des Rohrbündels vermessen.

Darauf aufbauend soll dann ein Algorithmus entwickelt werden, mit dem die Leistungsdegradation aufgrund von Fouling bei Kühltürmen automatisiert detektiert werden kann. Dieser wird dann anhand des Laborsystems und auch an Feldanlagen auf die Übertragbarkeit und Robustheit getestet.

Ca. 13 % des Gesamtstromverbrauchs in Deutschland werden in kältetechnischen Anwendungen (71.000 GWh) verwendet. Die Kältebereitstellung erfordert eine Wärmeabgabe an die Umgebung, die überwiegend durch Nass- oder Trockenrückkühlwerke realisiert wird. Der Stromverbrauch der Rückkühlwerke wird auf ca. 6-20% geschätzt. Ein signifikanter Anteil hiervon wird durch Verschmutzung/Fouling verursacht und kann durch gezielte Überwachung und Reinigung deutlich reduziert werden.

Im Projekt soll eine automatisierte energetische Betriebsanalyse für Kühltürme entwickelt werden, deren Funktionalität deutlich über bestehende Prozesswasserüberwachungssysteme hinausgeht. Ausgangspunkt ist ein am Fraunhofer ISE entwickelter Kennlinienansatz, der mit wenigen Messpunkten die Bewertung des aktuellen Betriebszustands im Vergleich mit dem Auslegungspunkt oder Referenzbetriebsphasen erlaubt.

Dazu werden zu Projektbeginn bisher verfügbare Informationen zur Verschmutzung von Wärmeübertragern und Kühltürmen bewertet. Auf Basis von Literaturquellen werden dann Gleichungssysteme zur energetischen Performanceüberwachung hergeleitet. Gleichzeitig wird ein Laborversuchsstand aufgebaut, an dem an einem geschlossenen Nasskühlturm beliebige Betriebszustände gezielt angefahren werden können. Hier werden dann Untersuchungen zum Einfluss von Verschmutzung auf die thermische Übertragungsleistung durchgeführt. Zudem wird getestet, in wieweit Performancedegradation bei Fouling an den Wärmeübertragern anhand der Gleichungssysteme erkannt werden kann. Ziel ist es eine gute Detektierbarkeit mit möglichst wenigen Messpunkten zu erzielen.

Im nächsten Schritt sollen die Überführbarkeit des entwickelten Ansatzes zur Betriebsüberwachung in die Praxis sowie die Robustheit unter Realbedingungen erprobt werden. Dazu werden mehrere Kühlsysteme im Feld mit Messtechnik ausgestattet. Um eine automatisierte Überwachung zu ermöglichen, werden die Gleichungssysteme in selbstständig  ablaufende Softwarealgorithmen eingebettet.