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Kurztitel: nivEx
Förderkennzeichen: 03ET1344A, 03ET1344B, 03ET1344C
Status: Laufend
Laufzeit: 11/2015 bis 10/2018
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Betriebsoptimierung
Standort: Bühringstr. 8, 3086 Berlin
Innovation: Ein neues Messsystem für Temperatur und Durchfluss in hydraulischen Systemen, insbesondere Wärmeübertrager, das auch bei ungünstigen Strömungsbedingungen genaue Ergebnisse liefert. Es erlaubt die nicht-invasive Messung auch komplexer Strömungsgeometrien.

Quintessenz

  • Durchfluss- und Temperaturmessungen an Wärmeübertragern helfen, die Energieeffizienz, Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit im laufenden Anlagenbetrieb zu verbessern
  • Nicht-invasive Ultraschall-Messungen vereinfachen detaillierte Messungen von hydraulischen Systemen und damit deren Betriebsoptimierung
  • Entwickeltes System ist genauer als bisherige Messlösungen und eignet sich auch für das Monitoring von Heizungssystemen
  • Messgerät wird durch metrologisch validiertes Expertensystem ergänzt

Zur Effizienzsteigerung von Wärmeübertragern entwickeln die Forscher in diesem Projekt ein Durchfluss- und Temperaturmessgerät auf Basis der Ultraschall-Technologie „Clamp-On“. Es soll auch bei ungünstigen Einbaubedingungen durch eingriffsfreie Messungen im laufenden Anlagenbetrieb genaue Ergebnisse liefern, beispielsweise für das Monitoring von Heizungssystemen und deren Wärmetauschern. Das Gerät ist Teil eines metrologisch validierten Expertensystems.

Projektkontext

Wärmetauscher bestimmen die energetische Effizienz und über die Pumpenleistung auch die Betriebskosten technischer Anlagen wesentlich. 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 diese Daten eingriffsfrei im laufenden Anlagenbetrieb erfasst.

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 sowie das Langzeitverhalten innerhalb der Auslegung keine Berücksichtigung. Fehlende Kenntnisse über den energieeffizienten Betrieb, die Nutzung und Integration vorhandener Energiequellen sowie über notwendige Wartungsaufwendungen führen ebenfalls dazu, dass die Wärmetauscher nur unzureichend auf den Anwenderprozess abgestimmt werden.

Nicht-invasive Durchfluss- und Temperatur-Messverfahren sind zwar marktverfügbar, unterliegen unter Praxisbedingungen jedoch verschiedenen Störeinflüssen. 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 werden.

Projektmitarbeiter bei einer Feldmessung im Wärmenetz der Brandenburgischen Liegenschaftsbetriebe (BLB), Potsdam.

© ADAKOM GmbH

Ultraschall-Sensorköpfe an einer DN10 Kupferleitung.

© ADAKOM GmbH

Weitere Abbildungen

Anlegetemperaturfühler ohne Isolierung mit Wärmeleitpaste auf Edelstahlrohr.

© ADAKOM GmbH

Projekt-Mitarbeiter am Durchflussprüfstand für feldnahe Bedingungen an der TU Berlin.

© Oliver Buchin, TU Berlin

Durchflussmessung im Kältenetz im Vivantes-Klinikum Spandau, Berlin.

© ADAKOM GmbH

Messung an einer Pasteurisationsanlage für Fruchtsaftkonzentrate bei der ADM WILD Europe, Heidelberg.

© ADAKOM GmbH

Forschungsfokus

Zur Entwicklung des Mess- und Analysesystems wird die bereits heute verfügbare Ultraschall-Clamp-On Durchflussmesstechnik eingesetzt. Mit ihr lassen sich bei rotationssymmetrischen Strömungsbedingungen gute Messgenauigkeiten für ein breites Spektrum an Medien und Prozessbedingungen erreichen. Das Rohrleitungssystem um einen Wärmetauscher enthält jedoch häufig Störstellen wie Rohr- und Raumkrümmer, die die Messgenauigkeit negativ beeinflussen. In diesem Projekt soll deshalb ein metrologisch validiertes Anlege-Messsystem für Temperatur und Durchfluss entwickelt werden, das auch bei ungünstigen Strömungsbedingungen höchsten Genauigkeitsansprüchen genügt.

ADAKOM GmbH, das Fachgebiet Maschinen- und Energieanlagentechnik der TU Berlin sowie die Physikalisch Technische Bundesanstalt erarbeiten im ersten Schritt ein mobiles, nicht-invasives Messsystem für die Bestimmung der Prozessgrößen „Volumenstrom“ und „Temperatur“. Mit dieser messtechnischen Grundlage entsteht ein Expertensystem zur präzisen Bestimmung des Massenstroms und der Temperatur mittels Ultraschall-Clamp-On Messtechnik und Anlegetemperaturfühlern. Es beinhaltet Korrekturalgorithmen, die die durch Störgrößen auftretenden Messungenauigkeiten kompensieren sollen. Zum Expertensystem zählt auch eine Software zur Online Messdatenerfassung und -ausgabe.

Den Abschluss der Entwicklung bilden Feldtests, die in 2018 geplant sind. 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).

CFD-Simulation der Strömungsprofilentwicklung hinter einem Störkörper, der einen Raumkrümmer nachempfindet. Der Störkörper wird mit einem voll-ausgebildeten Strömungsprofil angeströmt.

© Martin Straka, PTB

Ergebnis einer Laser-Doppler-Anemometrie-Messung auf dem Wärmezählerprüfstand der PTB.

© Thomas Eichler, PTB

Erfolge

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

Anwendung

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

  • Aufwandsminimierung, Druckverluste 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 (Verunreinigungen, bei Langzeitmessungen oder Wiederholungsmessungen)
  • Optimierung der thermischen Belastung von Produkten
  • Reduktion von Stillstandszeiten und Nebenprozessen
  • Hydraulischer Abgleich.

Letzte Aktualisierung: 14. Juni 2017

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