TB021-Abschlaemmung durch Leitfaehigkeitsmessung.pdf

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TECHNISCHER BERICHT
H. Auer: Abschlämmung durch Leitfähigkeitsmessung
I. Einführung in die Abschlämmtechnik
TB: 21-7/03
Reines Wasser, H O, lässt sich in der Natur nirgends fi nden. Der Grund dafür ist, dass reines Wasser das beste natürliche
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Lösungsmittel für viele Stoffe, insbesondere für Ionenverbindungen, aber auch für Gase, darstellt. Darüber hinaus enthält
das natürliche Wasser gelöste organische Verbindungen und suspendierte Feststoffe, Mikroorganismen, Spurenelemente
und Staub. H O hat das Bestreben, Stoffe in fast jeder sich bietenden Form aufzunehmen. Aus diesem Grunde sind im
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Wasser stets viele verschiedene Stoffe gelöst und in verschiedener Konzentration enthalten.
Das mit Fremdstoffen angereicherte Wasser wird als Kühlwasser verwendet, wobei es zur mehrmaligen Nutzung, unter
anderem in Verdunstungskühltürmen für offenen oder solchen für geschlossenen Kreislauf, rückgekühlt wird. Zur
Rückkühlung wird ein bestimmter Betrag des Umlaufwassers, und zwar nur reines Wasser mit geringen Gasanteilen,
verdunstet. Die Fremdstoffe des verdunsteten Wassers bleiben im restlichen Umlaufwasser zurück und dicken dieses
dadurch ein. Eine weitere Konzentration ergibt sich durch die Verunreinigungen, die aus der durch den Kühlturm
geblasenen Luft ausgewaschen werden. Das sich auf diese Weise eindickende Kühlwasser bewirkt an den mit ihm in
Berührung kommenden Anlagenteilen im wesentlichen folgende negativen Auswirkungen:
* Korrosion verschiedener Arten (Flächen-, Lochfraß-, Spannungs- und Spaltkorrosion)
* Ablagerungen (Salz-, Härte- und Schmutzablagerungen)
* mikrobiologisches Wachstum (Algen, Bakterien, Pilze)
Ablagerungen schaden vorwiegend dem Wärmeübergang im Kondensator und der Funktion der Rohrleitungsarmaturen.
Der Kühlturm selbst ist dagegen weniger empfi ndlich, da Ablagerungen bis zu 3 mm Dicke an Gehäusewandungen,
Füllkörpern oder Rohraußenseiten der Rohrschlangenbündel wegen meist poröser Ablagerungsschichten kaum zu einer
Leistungsminderung führen. Die Korrosion hingegen wirkt sich vorwiegend auf den Kühlturm aus, weshalb wir uns seit
Jahren erfolgreich bemühen, die Kühltürme immer korrosionsbeständiger zu fertigen.
Um die vorgenannten Auswirkungen in Grenzen zu halten, ist die Abschlämmung eines Teils des Umlaufwassers
unbedingt vorzunehmen, selbst bei Verwendung von vollentsalztem Wasser. Die Höhe dieses Teilbetrages richtet
sich nach der Qualität des Frischwassers, der Außenluftbeschaffenheit und nach der Anlagenspezifi kation. Bei
ungünstigen Frischwasserbedingungen, wenn bestimmte Grenzwerte, z. B. pH-Wert 7,5 bis 9,0, Karbonathärte ca. 2°dH,
Chlorionengehalt 50 mg/l, Sulfationengehalt 105 mg/l, Gesamt-Salzgehalt 500 mg/l etc. überschritten werden, ist eine
besondere Behandlung des Zuspeisewassers, wie Impfung mit Härtestabilisatoren oder Korrosionsschutzinhibitoren oder
gar Teil- bzw. Totalaufbereitung unumgänglich. Entgegen den Veröffentlichungen mancher Wasseraufbereitungsfi rmen
sind wir jedoch aufgrund unserer bisherigen Erfahrungen der Meinung, dass nicht grundsätzlich jedes Wasser eine
Aufbereitung erfordert, sofern es in seiner Beschaffenheit einigermaßen im Rahmen liegt. Wir erachten es für wichtiger,
dass in jedem Falle so ausreichend abgeschlämmt wird, dass sich die Fremdstoffgehalte im Umlaufwasser gegenüber
den Grenzwerten des Frischwassers nicht viel mehr als verdoppeln. Über solche Grenzwerte gibt es Empfehlungen
und Richtlinien, z. B. die FGB-Kühlwasserrichtlinie oder die Richtlinien des „TÜV-Bayern“. Wir empfehlen die
Einhaltung der VDI 3803, Tabelle 10.
Die Eindickung, also das Verhältnis Umlaufwasser-Salzgehalt zu Frischwasser-Salzgehalt, sollte wirtschaftlicherweise
zwischen 1,5 und 3,5 betragen.
Beim Abschlämmen bieten sich verschiedene Verfahren an. Man kann grob unterteilen in:
1. Periodische Abschlämmung
Mit Hilfe eines Zeitschaltwerkes oder durch manuelle Betätigung wird das Ventil der Kühlturmwannen-Entleerung
zeitweise geöffnet. Das angereicherte Umlaufwasser fließt ganz oder teilweise ab, und Frischwasser wird
nachgespeist. Die Nachteile dieses Verfahrens überwiegen, denn entweder ist der Frischwasserverbrauch
unwirtschaftlich hoch oder die Eindickung zeitweilig über dem zulässigen Wert.
2. Kontinuierliche Abschlämmung
Diese erfolgt immer dann, wenn im Kühlturm Wasser verrieselt wird. Entweder ist an der Druckleitung eine
separate Verlustwasserleitung montiert, deren Durchfl uss z. B. mit einem Handventil eingestellt wird. Oder es ist,
wie in unseren Geräten standardmäßig enthalten, eine mit dem Überlauf kombinierte Verlustwasserauffangschale
im Rieselquerschnitt im Innern des Kühlturms angebracht, deren Eintrittsquerschnitt mit verstellbaren Abdeckungen
reguliert werden kann.
Die Abschlämmung wird bei Inbetriebnahme des Geräts – bei Besprühung und großer Ventilatordrehzahl – auf die
bei 100% Kühlleistung gewünschte Abfl ußmenge einreguliert.
Es ist einleuchtend, dass diese einfach konstruierten, robusten und leicht zu bedienenden Vorrichtungen, besonders
noch bei drehzahlgeregelten Ventilatoren, nicht genau proportional zur Kühllast und auch nicht genau auf die
gewünschte Eindickung, sondern nur grob annähernd abschlämmen.
3. Quantitäts- oder leistungsabhängige Abschlämmung
Soll bei Vollast die Abschlämm-Menge in kg/h geringer als das Produkt 0,4 x Kühlleistung in kW sein, also weniger
als ca. 25% der Verdunstungsmenge, oder ist ein etwas genaueres Verfahren als das kontinuierliche gewünscht,
bietet sich evtl. eine Dosiereinrichtung an. Diese Apparatur ermöglich die proportionale Abschlämmung, also
im Verhältnis zur eingespeisten Wassermenge, die aufgrund der Verdunstung fast direkt von der jeweiligen
Kühlleistung abhängt.
4. Qualitätsabhängige Abschlämmung
Sie ist am genauesten und am geeignetsten, aber auch am teuersten, sowohl in der Anschaffung als auch in der
Wartung und empfi ehlt sich besonders bei relativ hohen Wasserpreisen oder bei strengen Forderungen an die
Qualität des Umlaufwassers. Die Zuspeisung von Frischwasser erfolgt von der Abschlämmung unabhängig, entweder
durch ein Schwimmerventil oder ein Magnetventil mit Schwimmerschalter bzw. Elektrodenniveauregler.
Die qualitätsabhängige Abschlämmung wird gesteuert durch die fortwährende „Messung der elektr. Leitfähigkeit“
des Umlaufwassers. Derartige Steuerungen werden in diesem Einsatzgebiet immer häufi ger angewendet, weshalb
hier etwas näher darauf eingegangen werden soll.
II. Grundlagen der Leitfähigkeitsmessung
Die abgeleitete SI-Einheit des elektrischen Leitwertes ist das Siemens mit dem Einheitszeichen S. 1 Siemens ist gleich
dem elektr. Leitwert eines Leiters oder Elektrolyten vom elektr. Widerstand 1 Ohm; der Leitwert hat den reziproken
Wert des Widerstandes, 1 S = 1/Ω = 1 Ω -1 . Das Mikrosiemens ist ein millionstel Teil des Siemens und entspricht dem
Widerstand von 1 MW. Die Leitfähigkeit mit der Einheit µS/cm, ist Leitwert geteilt durch Leiterlänge. In unserem Falle
haben wir jedoch keine eindeutige Leiterlänge wie z. B. bei festen Kabeln, sondern der Elektrolyt umspült die beiden
Tauchelektroden (Messzellen) ringsum, deren Durchmesser, Oberfl äche und Material verschieden sein können. Diese
Parameter werden in der Zellenkonstante zusammengefasst und als Korrekturfaktor mit der Einheit cm -1 ausgedrückt,
der bei der Eichung des Messgerätes zu berücksichtigen ist. Eine Polarisation der Elektroden und damit die Bildung
von Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Elektroden und dem Elektrolyten verhindert man weitgehend mit
großer effektiver Elektrodenoberfl äche und durch Anlegen eines Wechselstromes mit Niederspannung und einer
bestimmten hohen Frequenz, die im Bereich 100 bis 10000 µS/cm etwa 2000 Hz betragen soll. Bei kleinerer Frequenz
wird die Polarisation stärker, bei höherer besteht die Gefahr von Nebenschlüssen.
Formelableitung
R = U
I
p = R q
l
K = 1 1
=
p R
k = l
q =
l
q
k R =
G
Bei k=1 ergibt sich
K = 1
= L
R
k
= k G
R
K
R = Leiterwiderstand [Ω]
U = angelegte Spannung [V]
I = Stromstärke [A]
p = spez. Widerstand [Ω]
l = Elektrodenabstand [cm]
K = spez. Leitfähigkeit [S/cm]
L = Leitfähigkeit [S/cm]
q = Oberfl äche einer Elektrode [cm2 ]
k = Zellenkonstante [cm-1 ]
G = Leitwert [S]
Die Temperatur des Elektrolyten, in unserem Falle des Wassers, ist für das Messergebnis bestimmend, da die Löslichkeit
(Dissoziation) und Beweglichkeit der Ionen stark temperaturabhängig ist und sich mit steigender Temperatur die
Leitfähigkeit erhöht. Deshalb sind für Labormessungen und für Vergleichszwecke die Werte für die Bezugstemperatur
20°C angegeben. Eine elektronische Temperatur-Kompensation ist möglich, für unseren Anwendungsbereich aber zu
aufwendig und zu kostspielig. Die Leitfähigkeitsänderung beträgt etwa 2% je K; (K = Kelvin). Unser Temperaturbereich
liegt bei Wasserabkühlung von 34 auf 28°C bzw. 31 auf 26°C etwa um 27°C, so dass die Leitfähigkeit hierbei schon ca.
14% höher ist als gegebene Leitfähigkeitsrichtwerte, die sich immer, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, auf
20°C beziehen. Die spezifi sche Leitfähigkeit einer gemessenen Lösung ergibt sich aus:
K = k x L - 0,02 x (t - 20) x k x L 20 t t
bei k = 1 und Messtemperatur 27°C:
K = L - 0,02 x 7 x L = 0,86 L 20 t t t
Als Bezugslösung und zum Eichen dient verdünnte NaCl-Lösung mit einem Temperatur-Koeffi zienten von 2,5%; 550
mg NaCl/l (Kochsalz, als Salz mittlerer Leifähigkeit) entsprechen 1000µS/cm.
Reinstes Wasser, also H O, ist kein Elektrolyt, es leitet elektr. Strom kaum, sein Widerstand ist sehr hoch. Auch eine
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Anreicherung mit reinen Staubpartikeln ändert daran nichts. Hingegen sind Salze in gelöster Form hervorragende elektr.
Leiter. Die Leitfähigkeit eines bestimmten Salzes ist proportional seiner Konzentration. Die Werte der einzelnen
Salze sind aber sehr verschieden hoch. Um angenähert auf die spezifi sche Leitfähigkeit in µS/cm zu kommen,
multipliziert man den Gesamtsalzgehalt in mg/l mit dem Faktor etwa 1,5 (der oft genannte Faktor 2 gilt u. E.
lediglich für eine bestimmte Natriumchlorid-Konzentration). Vom pH-Wert oder der Härte kann die Leitfähigkeit
nicht direkt abgeleitet werden.

III. Richtbeispiele (ca.-Angaben) von Konzentrationen
Reinstwasser 0,05 µS/cm
einfach destilliertes Wasser 10 µS/cm
durchschnittliches Frischwasser 250-800 µS/cm
Die Wahnbachtalsperre bei Bonn liefert
Frischwasser mit ca. 300 – 460 µS/cm
Die Bodenseewasserversorgung
BWV vergibt Frischwasser mit ca. 325 µS/cm
7,9 pH
8,9 °dH (Gesamthärte)
Richtlinie des VDI 3803 für Umlaufwasser in Rückkühlwerken unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien
(unvollständig dargestellt)
C-Stahl C-Stahl,
und andere Metalle,
Buntmetalle beschichtet
pH-Wert 7,5-9,0 7,5-9,0
Gesamt Salzgehalt mg/l