Fouling und CIP-Reinigung: Beläge im Wärmeübertrager erkennen und entfernen

Wie Fouling die Wärmeübertragung beeinträchtigt

Fouling bezeichnet Ablagerungen, die sich während des Betriebs auf den wärmeübertragenden Flächen oder in den Strömungskanälen eines Wärmeübertragers bilden. Je nach Prozessmedium entstehen beispielsweise mineralische Ausfällungen, Korrosionsprodukte, organische Rückstände oder Partikelbeläge. Auch biologische Ablagerungen sind unter entsprechenden Betriebsbedingungen möglich. Ein bekanntes Beispiel aus der Gebäudetechnik sind Kalkbeläge auf der Trinkwasserseite, etwa im Wärmeübertrager einer Frischwasserstation.

Ein Belag wirkt häufig wie eine zusätzliche Schicht zwischen den Medien und der Wärmeübertragerfläche. Dadurch kann sich der Wärmeübergang verschlechtern. Zugleich verengen Ablagerungen den Strömungsquerschnitt und erhöhen den Druckverlust. Wie stark sich diese Effekte bemerkbar machen, hängt unter anderem von Belagart, Dicke, Verteilung und Bauart des Wärmeübertragers ab.

Eine geringere Leistung ist nicht automatisch ein Beleg für Fouling. Auch veränderte Ein- und Austrittstemperaturen, Volumenströme oder Betriebsbedingungen können die Wärmeübertragung beeinflussen. Deshalb sollten Messwerte im Zusammenhang betrachtet und mit dem üblichen Betriebsverhalten der Anlage verglichen werden.

Beläge erkennen und ihre Ursache eingrenzen

Hinweise auf Fouling können eine abnehmende Wärmeleistung, veränderte Temperaturdifferenzen oder ein steigender Druckverlust sein. Für eine belastbare Einschätzung sind möglichst mehrere Betriebsgrößen erforderlich. Dazu gehören, soweit verfügbar, Temperaturen, Drücke und Volumenströme auf beiden Seiten des Wärmeübertragers.

Wichtig ist, vergleichbare Betriebszustände gegenüberzustellen. Ändert sich etwa die Förderleistung, kann sich der Druckverlust auch ohne zusätzliche Ablagerungen verändern. Ebenso kann eine andere Zusammensetzung des Prozessmediums die Wärmeübertragung beeinflussen. Einzelne Messwerte sollten daher nicht isoliert bewertet werden.

Die Art des Belags lässt sich aus Betriebsdaten allein oft nicht sicher bestimmen. Ablagerungen können unterschiedliche Ursachen haben und sich überlagern. Wenn eine Sichtprüfung oder Materialanalyse erforderlich ist, hängt das Vorgehen von Bauart und Prozess ab. Bei Unsicherheit sollte die Ursachenbestimmung gemeinsam mit fachkundigem Anlagenpersonal oder dem Hersteller des Wärmeübertragers erfolgen.

Eine reine Reinigung beseitigt nicht zwangsläufig die Ursache. Bleiben etwa ungünstige Betriebsbedingungen oder ein fortlaufender Eintrag von Feststoffen bestehen, kann sich der Belag erneut bilden. Zur Einordnung gehören deshalb auch die Prozessbedingungen und mögliche Veränderungen im Anlagenbetrieb.

Wärmetauscher reinigen: CIP-Verfahren bei Fouling

Bei der CIP-Reinigung wird eine Reinigungslösung durch den Wärmeübertrager geleitet, ohne ihn für die Reinigung vollständig auseinanderzunehmen. Ob dieses Vorgehen geeignet ist, richtet sich nach der Konstruktion, den verfügbaren Anschlüssen, den Strömungswegen und der Art des Belags. Entscheidend ist, dass die Lösung die betroffenen Flächen erreicht und anschließend wieder sicher abgeführt werden kann. Bei gelöteten Plattenapparaten, die sich nicht öffnen lassen, ist die Spülung im eingebauten Zustand der einzige Reinigungsweg; die Besonderheiten dieser Bauform beschreibt der Beitrag zu gelöteten Plattenwärmeübertragern.

CIP ist kein einheitliches Rezept. Die Auswahl der Reinigungschemie und des Prozessablaufs muss zum Belag, zu den Werkstoffen und zu den Betriebsbedingungen passen. Eine für mineralische Ablagerungen geeignete Vorgehensweise kann bei organischen Rückständen wirkungslos sein oder unerwünschte Nebenwirkungen haben. Deshalb sind pauschale Angaben zu Reinigungsmitteln, Konzentrationen oder Einwirkzeiten nicht sinnvoll.

Ablauf einer CIP-Reinigung

Ein geeigneter Ablauf wird vor Beginn festgelegt. Typische Schritte sind:

• Anlage vorbereiten: Wärmeübertrager und zugehörige Leitungen werden in einen sicheren Reinigungszustand gebracht. Das Prozessmedium muss kontrolliert entfernt oder vom Reinigungsweg getrennt werden.
• Reinigungsweg festlegen: Es wird geklärt, welche Seite und welche Strömungswege gereinigt werden sollen. Bei Bedarf ist zu berücksichtigen, ob eine Reinigung in Gegenrichtung sinnvoll und konstruktiv möglich ist.
• Reinigungslösung zirkulieren lassen: Die Lösung wird unter kontrollierten Bedingungen durch die betroffenen Bereiche geführt. Dabei müssen die zulässigen Betriebsgrenzen des Wärmeübertragers und der übrigen Anlagenteile eingehalten werden.
• Verlauf beobachten: Relevante Betriebsgrößen und Veränderungen der Reinigungslösung können Hinweise auf den Verlauf geben. Die Überwachung muss zur Anlage und zum Reinigungsverfahren passen.
• Spülen und wieder in Betrieb nehmen: Rückstände der Reinigungslösung werden entsprechend dem festgelegten Verfahren entfernt. Vor der Rückkehr in den Prozess ist sicherzustellen, dass die Anlage für den vorgesehenen Betrieb bereit ist.

Die einzelnen Schritte können je nach Anlage abweichen. Maßgeblich sind die technischen Vorgaben des Wärmeübertragers, die Eigenschaften der Reinigungsmedien und die betrieblichen Sicherheitsanforderungen.

Grenzen und Risiken der CIP-Reinigung

CIP erreicht nur Flächen, die von der Reinigungslösung ausreichend durchströmt und benetzt werden. Toträume, blockierte Kanäle oder stark verfestigte Beläge können deshalb schwer zugänglich sein. Auch eine ungleichmäßige Verteilung des Reinigungsstroms kann dazu führen, dass Ablagerungen nur teilweise entfernt werden.

Unpassende Chemie oder ungeeignete Prozessbedingungen können Werkstoffe und Anlagenteile schädigen. Zu berücksichtigen sind deshalb nicht nur die Platten oder Rohre des Wärmeübertragers, sondern auch Dichtungen, Anschlüsse, Pumpen und weitere Komponenten im Reinigungsweg. Warum die Freigabe einer Dichtung vom konkreten Medium abhängt, erläutert der Beitrag zu Dichtungswerkstoffen im Plattenwärmeübertrager. Die Materialverträglichkeit sollte anhand verlässlicher technischer Angaben geklärt werden; bei offenen Fragen ist Fachpersonal einzubeziehen.

Eine CIP-Reinigung ist außerdem nicht in jedem Fall ausreichend. Wenn sich die Leistung danach nicht erkennbar verbessert oder der Druckverlust auffällig bleibt, kommen weiterhin vorhandene Ablagerungen, ein nicht erfasster Strömungsweg oder eine andere Betriebsursache infrage. Eine wiederholte Reinigung ohne Ursachenklärung ist daher nicht automatisch die beste Lösung. Je nach Bauart und Befund kann eine weitergehende Inspektion erforderlich sein.

Reinigungserfolg beurteilen und erneutes Fouling vermeiden

Nach der Reinigung sollten die Betriebsdaten unter möglichst vergleichbaren Bedingungen betrachtet werden. Eine Veränderung von Wärmeleistung oder Druckverlust kann Hinweise auf den Erfolg geben, ist für sich genommen aber kein eindeutiger Nachweis. Auch der Zustand des Prozessmediums und die tatsächlichen Betriebsbedingungen müssen in die Bewertung einfließen.

Für die langfristige Einordnung ist es hilfreich, Betriebsveränderungen und Reinigungsmaßnahmen nachvollziehbar festzuhalten. So lassen sich wiederkehrende Muster erkennen und mögliche Ursachen gezielter untersuchen. Dazu zählen beispielsweise Veränderungen bei den Prozessmedien oder bei den Betriebsbedingungen.

Wie häufig eine Reinigung erforderlich ist, lässt sich nicht allgemein festlegen. Ein starres Intervall kann unnötige Reinigungen auslösen oder Ablagerungen zu lange bestehen lassen. Zweckmäßiger ist eine Entscheidung auf Grundlage des Anlagenverhaltens, der Prozessanforderungen und der technischen Vorgaben. Wie Beläge schon bei der Auslegung über einen Verschmutzungszuschlag berücksichtigt werden, steht unter Auslegung und Berechnung.

Fazit

Fouling lässt sich über Veränderungen von Wärmeleistung, Druckverlust und weiteren Betriebsdaten erkennen, aber nicht immer allein anhand eines einzelnen Messwerts eindeutig bestimmen. Eine CIP-Reinigung kann Beläge entfernen, wenn Reinigungsmedium, Strömungsweg und Ablauf zur Ablagerung und zur Bauart des Wärmeübertragers passen. Eine sorgfältige Ursachenklärung und die anschließende Bewertung des Anlagenverhaltens helfen, unnötige Reinigungen und wiederkehrende Probleme zu vermeiden. Weitere Beiträge zu Bauarten, Auslegung und Betrieb bündelt die Rubrik Wärmeübertragung.