DE10136570A1 - Vorrichtung zur Entgasung von Flüssigkeiten in Rohrsystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Vorrichtung zur Entgasung von Flüssigkeiten in Rohrsystemen, die sich dadurch auszeichnet, dass die in der Anlage befindlichen Gase durch Permeation oder Diffusion mit Hilfe eines Partialdruckgefälles über eine Membran aus der Anlage entfernt werden. Die Membran kann aus Polymeren bestehen, insbesondere Silikon oder fluorhaltigen Polymeren. Die Diffusion kann durch eine mikroporöse Membran aus hydrophobem Material erfolgen. Das erforderliche Partialdruckgefälle wird durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Gasseite der Membran erzeugt. Die Membran kann in unterschiedlichen geometrischen Formen ausgeführt sein oder in Form eines Plattenfilters angeordnet sein. Ein Sauerstoffsensor dient zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks in der Flüssigkeit. Der so ermittelte Sauerstoffpartialdruck dient als Schaltgröße für die Vakuumpumpe (Fig. 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung von Flüssigkeiten insbesondere in Heizungs- und Kühlanlagen.

Gelöste Gase in flüssigen Medien wirken sich bei einer Vielzahl von technischen Vorgängen störend aus. Der Sauerstoff (die Luft) gelangt entweder mit dem Füll- und Ergänzungswasser, durch Unterdruck oder über gasdurchlässige Bauteile in die Heizungsanlage.

In der Heizungs- und Kühltechnik bewirkt im Medium gelöster Sauerstoff mittel- bis längerfristig eine Korrosion der Werkstoffe, die bis zu einer vollständigen Zerstörung der Anlage führen können. Sie äußert sich durch Oxidation des Materials, meist Stahl, und führt letztlich zu Leckagen und einem Stillstand der Anlage. Die mit der Reparatur bzw. einem Ersatz der Anlage verbundenen Kosten sind erheblich. Der Einsatz von korrosionsfesten Rohrmaterialien, wie z. B. Edelstahl, ist auf spezielle Anlagen beschränkt (z. B. Kernkraftwerke, Lebensmittel verarbeitende Betriebe u. ä.) und findet aus preislichen Gründen in der Praxis allgemein kaum Anwendung.

Durch chemische Maßnahmen lässt sich der gelöste Sauerstoff relativ einfach entfernen, jedoch kaum Stickstoff, Wasserstoff, Methan oder Schwefelwasserstoff, die sich ebenfalls in der Anlage bilden können. Die Entfernung dieser Gase erfolgt in der gängigen Praxis mehr oder weniger erfolgreich über mechanische Luftabscheider (DE 197 39 142).

Die adiabatische Entspannung des Mediums ist ein physikalisches Verfahren, das die Druckabhängigkeit der Löslichkeit von Gasen in Wasser nutzt, um eine partielle Entgasung mittels Entspannung zu erreichen. Dieses Verfahren erfordert einen erheblichen mechanisch-apparativen Aufwand, der letztlich zu einer erheblichen Kostensteigerung der gesamten Anlagen führt. Eine hinreichende Entgasung des Mediums ist mit diesem Verfahren nicht möglich, da gegen den Umgebungsdruck entspannt wird, und daher wird mit Luft gesättigtes Wasser bei Umgebungsdruck und Anlagentemperatur wieder in die Anlage zurückgeführt. Somit können mit diesem Verfahren nur Gaspolster aus der Anlage entfernt werden.

Die Entfernung des gelösten Sauerstoffs mittels chemischer Verfahren beruht auf einer Umsetzung des Sauerstoffs mit Reduktionsmitteln. Insbesondere Hydrazin, das auf Grund seiner guten Reduktionseigenschaften auch bei niedrigeren Temperaturen sehr gut wirkt, ist durch seine nachgewiesenermaßen toxischen und mutagenen Eigenschaften in Verruf geraten. Andere chemische Reduktionsmittel wie z. B. Natriumsulfit, wirken weniger effizient und erhöhen den Leitwert des Mediums, der wiederum die Korrosionsgeschwindigkeit erhöht. Der niedrige ph-Wert des Mediums muss mit anderen Chemikalien zusätzlich nachgepuffert werden, um ein leicht alkalisches Milieu von mindestens ph = 8,2 aufrechtzuerhalten.

Ein relativ guter und kontinuierlicher Korrosionsschutz lässt sich mit elektrochemischen Verfahren realisieren. Hierzu wird die zu schützende Anlage in einem Stromkreis als Kathode geschaltet. Die Korrosion läuft dann bevorzugt an der Opferanode ab, die sich verbraucht und von Zeit zu Zeit erneuert werden muss. Das Verfahren kann als kontinuierlich bezeichnet werden, da die Intervalle für den Anodenwechsel durch entsprechende Auslegung der Anodenmasse ausgedehnt werden können. Ein sicherer Schutz der Anlage erfordert jedoch eine sorgfältige Überwachung der Parameter und damit laufende Betreuung der Anlage.

Die Opferanoden bestehen in der Regel aus speziellen Legierungen und sind sehr teuer. Das Verfahren wird daher nur in Einzelfällen wie z. B. Großanlagen angewandt. Mit diesem Verfahren lässt sich zwar ein guter Korrosionsschutz erzielen, eine Entgasung des Mediums erfolgt jedoch nicht. Auf Grund von Temperatur- und Druckunterschieden entstandene Gasblasen im System müssen daher zusätzlich mit anderen Verfahren abge­ trennt werden.

Sowohl chemische als auch die bisherigen physikalischen Verfahren arbeiten diskontinuierlich und erfordern daher einen relativ hohen Überwachungsaufwand. Der Umgang mit Chemikalien ist problematisch und setzt geschultes Personal voraus.

Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung, die eine kontinuierliche Entgasung bzw. Aufrechterhaltung eines entgasten Zustandes des Mediums ohne den Einsatz von toxischen Stoffen sicherstellt und zwar ohne hohen Investitions- und Betreuungsaufwand.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung mit den dort dargelegten Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Verringerung der Konzentration gelöster Gase im Medium gemäß der Erfindung wird folgendes Prinzip genutzt: Das Medium ist in einseitigem Kontakt mit einer geeigneten Membran. Auf der anderen Seite der Membran wird mittels einer Vakuumpumpe ein Gaspartialdruck eingestellt, der geringer ist als der im Medium. Die Funktion der Membran beruht darauf, dass sie eine Durchlässigkeit für Gase aufweist, Flüssigkeiten jedoch nicht hindurchlässt. Hierzu kann man z. B. mikroporöse, hydrophobe Membranen einsetzen. Auf Grund der porösen Struktur dieser Membranen können Gase fast ungehindert die Membran passieren, wohingegen wässrige Flüssigkeiten auf Grund der hydrophoben Natur des Materials bis zu einem bestimmten Druck zurückgehalten werden. Wird zwischen den beiden Phasen ein Partialdruckgefälle erzeugt, kann das im Medium gelöste Gas in die andere Phase überführt werden.

Es können jedoch auch nicht poröse Membranen für eine Entgasung eingesetzt werden, sofern die Gase eine gewisse Permeation durch das Membranmaterial aufweisen. Der Vorteil dieser Materialien liegt darin, dass sie im Vergleich zu offenporigen Membranen höheren Differenzdrucken ausgesetzt werden können, der Nachteil darin, dass die Permeation in der Regel langsamer verläuft als die reine Diffusion über Poren.

Die Permeation von Gasen durch Membranen pro Zeiteinheit ist eine Funktion des jeweiligen Gases, des Membranmaterials, der Membrandicke, des Partialdruckgefälles über die Membran und der Temperatur. Der Permeationskoeffizient ist das Produkt aus Löslichkeitskoeffizient und Diffusionskoeffizient des betreffenden Gases für ein Membranmaterial. Besonders hohe Permeationskoeffizienten für Sauerstoff und Stickstoff weisen Silikon und fluorhaltige Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen auf. Diese Materialien können in Form von Folien, Schläuchen oder Platten kommerziell bezogen werden, so dass die gemäß der Erfindung eingesetzte Membran die unterschiedlichsten Formen annehmen kann. Weitere Voraussetzungen für einen praktischen Einsatz sind ausreichende mechanische und chemische Stabilität. Die mechanische Stabilität kann durch entsprechende konstruktive Ausführungsformen sichergestellt werden. Silikone, fluorierte Kohlenwasserstoffe und auch andere künstliche oder natürliche Polymere und Membranen weisen in der Regel eine genügende chemische Stabilität gegenüber wässrigen Medien auch bei höheren und tiefen Temperaturen auf, so dass ein langjähriger Einsatz sichergestellt werden kann.

Die Realisierung des Partialdruckgefälles kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Legt man auf der einen Seite der Membran ein Vakuum an, so wird über die Membran solange Gas permeieren, bis der Druck auf beiden Seiten ausgeglichen ist. Erzeugt man das Vakuum mittels einer geregelten Vakuumpumpe, wird das Gas über die Pumpe abtransportiert und solange Gas über die Membran nachpermeiert bis der Partialdruck des gelösten Gases in der wässrigen Phase mit der des Restgasgehaltes im Vakuum ausgeglichen ist. Der Restgasgehalt in der flüssigen Phase hängt demnach von der Güte des Vakuums ab.

Geht man davon aus, dass das in die Heizungs- bzw. Kühlanlage eindringende Gas zum größten Teil aus Luft besteht, lässt sich die Konzentration an gelöstem Gas in erster Näherung über die Konzentration bzw. dem Partialdruck des gelösten Sauerstoffs bestimmen, der einfacher zu messen ist als Stickstoff. Der Partialdruck von Sauerstoff in flüssigen Medien kann z. B. mittels elektrochemischer Sauerstoffsensoren gemessen und überwacht werden. Der Sauerstoffpartialdruck kann somit als Marker für den gesamten Partialdruck an gelösten Gasen dienen.

Durch Einsatz eines Sauerstoffsensors, dessen Signal mit einer elektronischen Einheit registriert wird, kann die Einschalt­ zeit einer Vakuumpumpe gesteuert werden, die nur dann das Vakuum auf der Gasseite der Membran verbessert, wenn dies erforderlich ist. Mittels des Sauerstoffsensors lassen sich auch Lufteinbrüche, z. B. durch Leckagen, rasch erkennen.

Voraussetzung für einen möglichst hohen Wirkungsgrad ist die Verfügbarkeit von Membranen, die einen möglichst großen Peremeationskoeffizienten, insbesondere für Sauerstoff, aufweisen. Für den Einsatz in der Praxis muss das Material jedoch auch über eine möglichst hohe chemische und mechanische Stabilität verfügen, um eine ausreichend lange Standzeit bei Drücken bis 10 bar und Temperaturen bis ca. 120°C sicher­ zustellen.

Die Größe des Moduls wird durch den Wirkungsgrad, die Menge des zu entgasenden Mediums und der gewünschten Entgasungszeit bestimmt. Die zu entgasende Wassermenge ist von der Bauform und der Leistung der Anlage anhängig. Kleine Wassermengen von einigen hundert Litern können bei entsprechender geometrischer Anordnung der Membran mit einem Modul in der Größe eines Schuhkartons entgast werden. Bei der Verwendung von Polyethylen und Polytetrafluorethylen als Membranmaterial hat sich gezeigt, dass die berechneten Werte in etwa mit den praktisch erzielbaren übereinstimmen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb einer Anlage, wobei die Sauerstoff­ konzentration online überwacht wird und die Korrosionsrate auf ein Minimum gesenkt werden kann. Die Zugabe von Chemikalien zum Wasser entfällt. Da die Vorrichtung nach der Erfindung bevorzugterweise im Bypass betrieben werden soll, können mögliche Wartungs- oder Reinigungsarbeiten ohne Abschalten der Anlage durchgeführt werden. Auf Grund der kontinuierlichen Sauerstoffmessung können Leckagen oder größere Lufteinbrüche in das Rohrsystem schnell erkannt werden. Der Energieaufwand zur Entgasung ist relativ gering, da die Vakuumpumpe durch die Regelung nur bei Bedarf eingeschaltet wird.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um die Entgasung von Kalt- oder Warmwasser führenden Rohrsystemen und Kalt- oder Warmwasserspeicher, die unter Überdruck stehen oder drucklos betrieben werden gegen ein Vakuum. Es ergeben sich folgende Anwendungsfälle:
Entgasung

• - von Heiz- und Kühlanlagen
• - von Speisewasser für Dampfanlagen
• - von Füll- und Ergänzungswasser für geschlossene Heiz- und Kühlkreisläufe, wobei das Füll- und Ergänzungswasser zur Beschleunigung des Entgasungsvorganges, vor Eintritt in die Vakuum-Entgasung in einer weiteren vorteilhaften Variante erwärmt werden kann.
• - Das Füll- und Ergänzungswasser für Heiz- und Kühlanlagen sowie das Speisewasser für Dampfanlagen wird vorteilhaft vorerwärmt, u. a. vor Eintritt in den Vakuum-Entgaser enthärtet, teilentsalzt oder entsalzt.

Der Entgasungsbehälter bei einer Ausführungsform der Erfindung einschließlich des Vakuumraumes ist gasdicht gegen Über- und Unterdruck aus Stahl, Edelstahl mit oder ohne Innenbeschichtung oder aus Kunststoff gefertigt. Die Vakuumpumpe wird über ein Zeitprogramm oder über eine Gasnachweis-/Gasprüfeinrichtung angesteuert. Die Vakuum- Entgasungsanlage verhindert Gasansammlungen in Heizungs- und Kühlanlagen, die zu erheblichen Störungen, z. B. durch Unterbrechung der Volumenströme, führen. Heizungs- und Kühlanlagen müssen für einen bestimmungsgemäßen störungsfreien Betrieb weitgehend gasfrei betrieben werden.

Die den Wasserkreisläufen entzogene Gasmenge kann annähernd bestimmt werden über die Laufzeit der Vakuumpumpe in Verbindung mit deren Leistung.

Die Vakuumpumpe wird innerhalb eines Bereiches von -0,5 bis -0,7 bar Unterdruck oder jedem anderen Unterdruckbereich betrieben.

Der Entgasungszylinder, dessen gasdurchlässiges Material über einen Stützzylinder gezogen ist, wird gegen den inneren Vakuumraum entsprechend abgedichtet und von außen mit dem zu entgasenden Medium beaufschlagt. Je nach erforderlicher Leistung liegt ein Einzelstück oder ein parallel arbeitender Zylinder in einem entsprechend ausgestalteten Behälter mit Vakuumraum vor.

Bisher bekannte Entgasungsgeräte oder -Anlagen entgasen gegen Atmosphäre und nicht wie die oben beschriebene Erfindung mit den aufgezählten Vorteilen in einen Vakuumraum hinein. Übertritt von Luft in das zu entgasende Medium über die Vakuumentgasungsanlage ist im Gegensatz zu Geräten und Anlagen, die gegen Atmosphäre entgasen, ausgeschlossen.

Die Installation im Bypass einer Rohrleitung von einer Heizungs- oder Kühlanlage ist denkbar einfach. Soll das Wasser eines unter Druck stehenden Behälters oder eines drucklosen Behälters entgast werden, ist dieses Wasser mit einer Umwälzpumpe über die Vakuumentgasungsanlagen zu führen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Heizanlage mit Entgasungsvorrichtung in einer ersten Ausgestaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Aus dem Heizwasservorlauf 1 einer Heizanlage wird das Medium mit Hilfe einer Heizwasserpumpe 2 über einen Bypass mit Siebkorbfilter 3, Manometer zur Kontrolle des Differenzdrucks 4 über den Siebkorbfilter und Wasserzähler 5 durch einen wendelförmig auf einen Zylinder 6 aufgewickelten Schlauch aus Silikonkunststoff mit Gewebearmierung 7 geleitet, der sich in einem abgeschlossenen Behälter 8 befindet. Der Innenraum des Behälters wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe 9 evakuiert, so dass an der Außenseite des Schlauches Vakuum ansteht. Solange ein Partialdruckgefälle zwischen gelöstem Gas im Medium und Vakuum besteht, wird Gas aus dem Medium durch den Schlauch zur Vakuumseite permeieren, d. h. dem Medium wird kontinuierlich Gas entzogen. Das Gas wird mittels der Vakuumpumpe in die Umgebung abgegeben. Über einen Sauerstoffsensor oder einen anderen Gassensor 10, der sich in direktem Kontakt mit dem Medium befindet, kann der Gehalt an gelöstem Gas gemessen werden. Das Signal des Gassensors wird an einen Schaltschrank 11 weitergeleitet, über den die Steuerung der Vakuumpumpe erfolgt. Die Vakuumpumpe ist somit nur dann in Betrieb, wenn der Gehalt an gelöstem Gas einen einstellbaren Grenzwert überschreitet. Alternativ kann das Vakuum über einen Druckwächter 12 gesteuert werden. Die Vakuumpumpe weist ein Rückschlagventil 13 auf, um ein Rückströmen von Umgebungsluft im abgeschalteten Zustand der Pumpe in den Behälter zu verhindern.

Eine Wasserprobenentnahme 14 ermöglicht die Entnahme von Proben, um z. B. den Härtegrad des Wassers zu prüfen. Über den Schaltschrank steuerbare Motor-Absperrarmaturen 15 ermöglichen eine Wartung der Anlage, z. B. Reinigung des Schlammfängers 16 ohne Abschalten der gesamten Heizanlage. Etwaiges kondensiertes Medium oder ein Schaden am Schlauch kann mittels einer Messsonde 17 detektiert werden und über den Schaltschrank eine Wartung ausgelöst werden.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, und zwar angewendet auf ein Heizwassersystem eines Hauses. Der Vakuumbehälter 8 ist linksseitig mit einem Zulauf für gashaltiges Heizwasser versehen, wobei das entgaste Heizwasser im oberen Teil den Vakuumbehälter 8 verlässt.

Der Vakuumbehälter 8 hat im Wesentlichen zylindrische Form mit einem gewölbten oberen Teil und einem ebenfalls gewölbten unteren Teil. Im unteren Teil ist der Anschluss zur Vakuumpumpe 9 vorgesehen und im mittleren unteren Teil ist eine Entwässerung 9 vorgesehen.

In der Figur ist eine Zwischenplatte 20 vorgesehen, die den Vakuumbehälter 8 in zwei Teile dichtungsmäßig unterteilt. Die Zwischenplatte 20 ist mit Öffnungen versehen und diese wiederum sind mit den Innenräumen von Lochblechzylindern verbunden. In der Figur sind drei Lochblechzylinder gezeigt, die von außen her jeweils mit einer Membran ausgestattet sind, die den Lochblechzylinder vollständig umgeben und sich an diesem abstützen.

Die Wirkungsweise der Anlage ist wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben: Über die Membran kann das das Heizwasser enthaltende Gas in den Innenraum der Zylinder gelangen, wobei dieser Effekt durch das angelegte Vakuum bewirkt wird.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl derartiger Membrane im Innenraum eines geeigneten Behälters vorzusehen, wobei für die Bemessung die wirksame Fläche aller Membrane eine Rolle spielt, aber natürlich auch der erzielte Unterdruck und der Gasgehalt im Wasser. Die Steuerung der Vakuumpumpe kann rein zeitabhängig erfolgen, aber auch mit Hilfe von Gassensoren oder über die Menge des tatsächlich dem System entnommenen Gases.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Entgasung der Flüssigkeit in wasser­ führenden unter Druck stehenden oder drucklosen Rohrsystemen, insbesondere Heizungs- und Kühlanlagen, wobei die in der Anlage befindlichen Gase durch Permeation oder Diffusion mit Hilfe eines Druckgefälles über eine Membran aus der Anlage entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterdruckseite der Membran (7) oder einer Mehrzahl von Membranen eine Vakuumpumpe (9) vorgesehen ist, die hin­ sichtlich der Leistung und/oder über die Einschaltzeit so geregelt ist, dass der Gasgehalt unterhalb einer vorgegebenen Grenze bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus künstlichen oder natürlichen Polymeren gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Membran aus Silikon oder einem fluor­ haltigen Polymer gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusion durch eine mikroporöse Membran aus hydrophobem Material erfolgt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran die Form eines Rohres, Schlauches oder Hohlfaserbündels hat.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in Form eines Plattenfilters ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Flüssigkeit im Rohrsystem als Schaltgröße für die Vakuumpumpe dient.