Messtechnik zur Kontrolle von Wärmeträger

Refraktometer und mobile VE-Wassererzeugung ermöglichen innovativen Ansatz beim Befüllen von Wasserkreisläufen

Schema: Wasserkreisläufe vom See bis zum Verbraucher

Beispiel-Projekt Circulago

Circulago ist ein zukunftsweisendes Projekt, um Teile der schweizerischen Orte Zug und Baar mit umweltfreundlicher Wärme- und Kälteenergie zu versorgen. Die Energie für Circulago stammt aus dem Zugersee. Das Wasser wird in einem geschlossenen Leitungskreislauf zu einer Seewasserzentrale am Ufer gepumpt. Dort übergibt ein Wärmetauscher die Energie an einen zweiten geschlossenen Kreislauf (Sekundärkreislauf). Gleichzeitig gelangt das Seewasser wieder zurück in den Zugersee. Ein unterirdisches Netz leitet die Energie an Wärmezentralen in den Quartieren, welche die Endverbraucher mit Warmwasser, Heizenergie oder Klimakälte versorgen.

Die Aufgabe

Der Sekundärkreislauf besteht aus einer ca. 7 km langen Ringleitung. Diese musste mit einem Wärmeträger mit Frostschutz befüllt werden. Die Mischung setzt sich aus vollentsalztem Wasser, Ethanol und Korrosionsinhibitoren zusammen. Insgesamt wurden rund 340 t Konzentrat befüllt, die Befüllung dauerte fast 6 Tage.

Ökologie und Ökonomie vereint – LKW-Fahrten auf ein Minimum reduziert

Für die Befüllung des Rohrleitungssystems wird normalerweise ein bereits fertig gemischter, auf die Frostschutzkonzentration eingestellter Wärmeträger eingefüllt. Daraus folgen eine Vielzahl an Fahrten zwischen Hersteller des fertig angesetzten Wärmeträgers und dem Ort, wo es benötigt wird. Ein nächstes Problem besteht oft darin, dass sich vor der Befüllung in den Dükern der Rohrleitung oft unbekannte Mengen an Spülwasser befinden. Bei Befüllung mit einem fertig angesetzten Wärmeträger entspricht die Endkonzentration in der Leitung daher nicht dem Soll-Mischungsverhältnis.

Für große Wärmeverbünde produziert der Hersteller HARAPOL (Schweiz) ein Konzentrat, welches erst vor Ort in einer Mischapparatur mit vollentsalztem Wasser gemischt wird, und dessen Menge mittels einer inline-Konzentrationsmessung eingestellt wird. Hierzu wurde Trinkwasser aus dem örtlichen Netz entnommen und in einer mobilen Umkehrosmoseanlage der Firma HARAPOL zu VE-Wasser aufbereitet. Dadurch konnte die Zahl an LKW-Fahrten, im Vergleich zu herkömmlichen Befüllungen, um 50% reduziert werden.

Realisierung

Vor Ort wurde für die Dauer der Befüllung eine Mischstrecke durch die schweizer GIMAT-Vertretung heusser umwelttechnik, ein inline-Refraktometer Typ CM-800α aus dem Hause ATAGO zur Messung der Ethanol-Konzentration eingebaut (siehe Foto). Durch regelmässige Messung mit den Handrefraktometern von ATAGO, welche ebenfalls bereits mit einer auf die Frostschutzkonzentration abgestimmten Skala ausgestattet sind, wird das eingefüllte Medium zusätzlich sektorenweise kontrolliert. Dadurch konnte eine allfällige Verdünnung von Restwasser aus den Spülvorgängen der Rohrleitungen erkannt werden.

Bei einer Verdünnung kann durch die Berechnung des Volumens des nächsten Abschnittes, diese durch eine Erhöhung der Mischkonzentration ausgeglichen werden. So ist jederzeit gewährleistet, dass die vom Kunden vorgegebenen Spezifikationen des Wärmeträgers eingehalten werden. HARAPOL konnte ihr ökologisch und ökonomisch ausgeklügeltes Befüllsystem bereits an weiteren großen Wärmeverbünden einsetzen.

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Projektleistungen

  • Montage
  • Elektromontage
  • Inbetriebnahme
  • Einweisung und Schulung

Messtechnik

Konzentrationsüberwachung bei der Befüllung
VE-Wasseranlage und Tankzug mit dem Wärmeträgerkonzentrat
Inline-Refraktometer CM-800α für Ethanol

Mehr Anlagensicherheit durch permanente Überwachung von Wasserkreisläufen

Zugersee in der Schweiz als Wärmequelle

Überwachung relevanter Parameter ist sinnvoll

Der Sekundärkreislauf besteht aus einer 7 km langen Ringleitung, die mit voll-entsalztem Wasser befüllt ist. Diesem wurde aus Frost- und Korrosionsschutzgründen Ethanol sowie ein Inhibitor zugegeben. Der sog. Wärmeträger wurde für eine Betriebsdauer über Jahrzehnte konzipiert. Die Veränderung des Wärmeträgermediums könnte aber negative Folgen bezüglich Wirkungsgrad, Korrosion und Verschleiß von Anlagenteilen nach sich ziehen. Daraus resultieren hohe Wartungskosten an Aggregaten und im schlimmsten Fall der Tausch des Wärmeträgermediums.

Durch eine geeignete, regelmäßige Überwachung des Wärmeträgers können Veränderungen frühzeitig erkannt werden. Wichtige Parameter bei der Qualitätsüberwachung sind der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit (LF) sowie die Konzentration, wobei die Konzentration des Wärmeträgermediums am besten mittels eines Refraktometers überprüft wird.

Vorteile einer permanenten Überwachung

Der Betreiber WWZ, Zug (Schweiz), entschied sich für eine permanente Überwachung. Ein kontinuierlich arbeitendes Prozessrefraktometer von ATAGO (Japan) misst „inline“ im Bypass des Wärmeträgerstroms die Ethanol-Konzentration. Die Ethanol-Messung wird ergänzt durch LF- und pH-Messgeräte aus dem Hause GIMAT (Deutschland).

Der Betreiber WWZ zeichnet die Messwerte in seinem Prozessleitsystem (PLS) auf und dokumentiert diese dort. Darüber hinaus wird vom PLS eine Unter- bzw. Überschreitung von Grenzwerten gemeldet.

Vorteile der Datenfernübertragung

Zusätzlich wurde von GIMAT eine kundenspezifische Webbrowser-Applikation zur Fernüberwachung realisiert. Bei einer festgestellten Veränderung des Wärmeträgers ergreift HARAPOL (Schweiz), Produzent des Wärmeträgers, Massnahmen und stellt Produkte und Know-how zur Rettung des Wärmeträgers bereit.

Fazit

Die Inbetriebnahme und Betreuung der gesamten Messtechnik inkl. Datenfernübertragung erfolgte durch die Schweizer GIMAT-Vertretung heusser umwelttechnik. Die Messung in Zug ist seit Oktober 2020 in Betrieb. Während der gesamten Laufzeit von rund 1 ½ Jahren mussten noch keine Wartungen bzw. Nachkalibrierungen der Messgeräte durchgeführt werden.

Einen Mehrwert hat die Betreibergesellschaft durch die Aufschaltung der Messwerte auf das Leitsystem. Die Mitarbeiter kontrollieren regelmäßig die Messwerte auf Plausibilität.

» Mehr Anlagensicherheit durch permanente Überwachung von Wasserkreisläufen

Projektleistungen

● Montage
● Elektromontage
● Inbetriebnahme
● Betrieb

Messtechnik

● Prozessrefraktometer ATAGO CM-800α Ethanol
● Controller GICON
pH-Sonde pH 722 Z 1
● Leitfähigkeitssonde LF Pt 100
● Einschweißstutzen für die Sonden

Messanordnung: Wärmeträger Fernüberwachung

Solarthermie zur Warmwassererzeugung braucht Wärmeträger in hoher Qualität

Elementarer Bestandteil einer Solarthermie-Anlage ist die Solarflüssigkeit. Durch sie wird die in den Sonnenkollektoren gewonnene Wärme im geschlossenen Kreislauf weitergegeben und kann so im weiteren Verlauf zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt werden. Wie gut eine Solarthermie-Anlage arbeitet, hängt zum einen von der Wärmeleitfähigkeit des Absorbermaterials ab und zum anderen von der Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit.

Thermische Solaranlagen stellen dabei hohe Anforderungen an die Eigenschaften der Wärmeträgerflüssigkeit: Sowohl in kalten Winternächten als auch in der heißen Mittagssonne im Hochsommer muss die Solaranlage störungsfrei laufen. Wärmeträgerflüssigkeiten müssen somit auch bei – 30 °C noch flüssig sowie pumpbar bleiben und dürfen sich auch bei nahezu 200 °C nicht zersetzen.

Solarflüssigkeiten müssen darüber hinaus aufgrund der Möglichkeit einer havariebedingten Kontamination des Brauchwassers gesundheitlich unbedenklich sein, sie sind deshalb auf Basis des ungiftigen Propylenglykols formuliert. Ausserdem muss die Wärmeträgerflüssigkeit über viele Jahre bis Jahrzehnte die Leitungen vor Korrosion schützen und sich mit sämtlichen Metall- und Dichtungsmaterialien vertragen sowie unentzündbar sein. Eigentlich sollte die Flüssigkeit zudem alterungsbeständig sein, jedoch altern handelsübliche Fluids und es entstehen als Abbaureaktion fast immer korrosive Komponenten – und die bekommen keiner Solaranlage.

Um die Korrosion zu verhindern werden Additive zugesetzt. Korrosionsinhibitoren wirken i. d. R. im leicht alkalischen Bereich (pH 8) am besten. Der thermische Abbau von Wärmeträgermedien ist oft dadurch gekennzeichnet, dass saure Komponenten entstehen. Sowohl für die Bestimmung der Propylenglykol-Konzentration als auch den pH-Wert vor Ort bieten einfache Handmessgeräte Vorteile, die die Messwerte in Sekundenschnelle präzise ermitteln.

zum Handrefraktometer PAL-88S

zum pH-Handmessgerät PAL-pH