DE3243114C1 - Verfahren zur Reinigung von Wärmetauschern für Abgase aus Verbrennungsmotoren von stationären Anlagen - Google Patents

Description

• mit einem Belag versehen werden, so daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers für die Abgase und damit auch der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage schlechter werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei sehr starker Bildung von Belägen bzw. Ablagerungen die Strömungswiderstände im Wärmetauscher so zunehmen können, daß ein einwandfreier Betrieb des Verbrennungsmotors aufgrund eines Rückstaus nicht mehr möglich ist, da mit zunehmendem Rückstau der mechanische Wirkungsgrad des Motors durch Verschlechterung des Füllungsgrades abnimmt.
• Bei den Wärmetauschern für die Abgase kann es sich sowohl um Gas/Abgas-Wärmetauscher als auch um Flüssigkeit/Abgas-Wärmetauscher handeln, wobei im Fall von Flüssigkeiten als sekundärem Wärmetransportmedium Wasser die üblicherweise verwendete Flüssigkeitist.
• Bei beiden Arten von Wärmetauschern treten die zuvor geschilderten Erscheinungen auf, ganz besonders sind sie jedoch im Fall von Flüssigkeit/Abgas-Wärmetauschern stärker ausgeprägt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. zur Reinigung von Wärmetauschern für Abgase, das einen kontinuierlichen Betrieb mit geringem Wartungsaufwand ermöglicht Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren wie es durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale beschrieben ist.
• Gemäß bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren periodisch zu vorher eingestellten, frei wählbaren Zeitpunkten automatisch durchgeführt, beispielsweise mittels einer automatischen Steuerungseinrichtung. Hierdurch ist es möglich, günstige Zeitpunkte für die Reinigung vorher auszuwählen, z. B. Zeiten, in denen kein allzu großer Wärmebedarf, jedoch ein höherer Bedarf an mechanischer Leistungsabgabe, d. h. Leistungsabgabe für die Wärmepumpe oder für einen elektrischen Generator, besteht.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren nach frei wählbaren Betriebszeiten des Verbrennungsmotors durchgeführt, was beispielsweise ebenfalls durch eine automatisch arbeitende Steuerungseinrichtung geschehen kann. Dies hat den Vorteil, daß eine zu starke Verschmutzung und damit Absenkung des Wirkungsgrades des Abgaswärmetauschers sicher vermieden werden kann, falls die Anlage nicht dauernd von Bedienungspersonal gewartet wird, sondern weitgehend automatisch gesteuert wird.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren immer dann durchgeführt, wenn eine vorher gewählte Grenztemperatur der aus dem Wärmetauscher austretenden Abgase erreicht ist, wobei das Verfahren auch in diesem Fall vorteilhafterweise mittels einer automatisch arbeitenden Steuerungseinrichtung durchgeführt wird.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird es zu Zeiten hohen Bedarfs an mechanischer Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors jedoch bei geringem Wärmebedarf durchgeführt, wobei es vorteilhafterweise mittels einer automatisch arbeitenden Steuerungseinrichtung durchgeführt wird.
• Bei sehr starker. Verschmutzung des Abgaswärmetauschers, d. h. insbesondere bei starken Rußablagerungen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn wenigstens 50% der möglichen mechanischen Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors an die Wärmepumpe oder den Generator für den elektrischen Strom abgegeben werden. Der Grund hierfür ist, daß in einem solchen Fall das Abgas einen geringeren Sauerstoffanteil besitzt, so daß die Rußablagerungen langsamer bei Erreichen der Temperaturen durch das Aufheizen durch das Abgas verbrennen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei sehr starken Rußablagerungen und Durchführung des Verfahrens im Leerlauf des Motors, d. h. ohne oder ohne wesentliche mechanische Leistungsabgabe an eine Wärmepumpe oder einen Generator für elektrischen Strom, das Abgas einen so hohen Sauerstoffanteil besitzt, daß starke Rußablagerungen auf den Wärmetauscherflächen regelrecht ausbrennen, wodurch der Wärmetauscher auf eine zu hohe Temperatur beim Reinigungsvorgang aufgeheizt wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bei Benutzung eines Wärmetauschers mit flüssigem sekundärem Wärmetransportmedium, d. h. insbesondere Wasser, wesentlich, daß der Wärmetauscher nach dem Aufheizvorgang und Reinigungsvorgang wieder auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts des flüssigen, sekundären Wärmetransportmediums abgekühlt wird, d. h. im Fall von Wasser auf Temperaturen unterhalb von 100°C.
• Dies kann am einfachsten dadurch erreicht werden, daß der Wärmetauscher nach dem Aufheiz- und Reinigungsvorgang durch Abschalten des Verbrennungsmotors, d. h. bei Betriebsstillstand der Anlage, von selbst auf eine geeignete Temperatur, z.B. unterhalb von 1000 C, abkühlen gelassen wird. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen eine solche Abschaltung des Verbrennungsmotors, d. h. ein Stillegen der Anlage, nicht möglich ist.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsfor.m des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher bei Benutzung eines Wärmetauschers mit flüssigen, sekundärem Wärmetransportmedium nach Beendigung des Aufheizvorgangs und vor dem Wiedereinfüllen des flüssigen Wärmetransportmediums Luft in den sekundären Wärmekreislauf und/oder Luft zusammen mit dem Abgas in den Wärmetauscher eingeblasen, wodurch eine ausreichende Abkühlung erreicht werden kann, insbesondere wenn die Anlage mit nur geringer mechanischer Leistungsabgabe, z. B. unterhalb von 50% der maximal möglichen mechanischen Leistungsabgabe, betrieben wird. Weiterhin ist es möglich, im Fall von Wasser als flüssigem, sekundärem Wärmetransportmedium, d. h. einem praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehenden Wärmetransportmedium, das Füllen des Wärmetauschers sehr langsam vorzunehmen, so daß überschüssige im Wärmetauscher gespeicherte Wärme durch Verdampfen eines Teils des Wassers beim Wiederauffüllen abgeführt wird. Dieses verdampfte Wasser tritt durch die Öffnung aus, welche- beim Aufheizen eines Wärmetauschers für ein flüssiges, sekundäres Wärmetransportmedium sowieso immer vorhanden sein muß, um ein Verdampfen von Resten dieses flüssigen Mediums während des Aufheizvorganges zu ermöglichen und so den Aufbau von Überdruck auf der Sekundärseite des Wärmetauschers sicher zu vermeiden.
• Durch das Wassereinfüllen erfolgt ein Abschrecken der heißen Flächen, wodurch haftende Beläge sich lösen.
• Auch bei Verwendung eines Gas/Abgas-Wärmetauschers ist es während des Aufheiz- und Reinigungsvorgangs, d. h. bei abgeschalteter Zirkulation des gasförmigen sekundären Wärmetransportmediums erforderlich, die Sekundärseite des Wärmetauschers gegen die Atmosphäre offen zu halten, damit sich kein Überdruck aufbauen kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Bezugnahme auf die teilweise schematische Zeichnung näher erläutert.
• In der Zeichnung bedeutet M einen Verbrennungsmotor, im vorliegenden Fall einen Dieselmotor, dessen Wasserkühlung mit K bezeichnet ist. Die in dieser Wasserkühlung anfallende Wärme wird ebenfalls - wie nicht näher erläutert - für Heizungszwecke verwendet Dieser Motor treibt über eine Welle den elektrischen Generator G, dessen Strom entweder in das Netz abgeführt oder zum Betrieb von elektrischen Einrichtungen verwendet werden kann. Die Abgase treten über die Leitung A aus dem Motor aus und in den mit Wbezeichneten Wärmetauscher ein. Dieser Wärmetauscher ist im vorliegenden Fall als Rohrbündeltauscher dargestellt, wobei in der Zeichnung vier Wärmetauscherrohre dargestellt sind. Am unteren Teil des Wärmetauschers W treten die abgekühlten Abgase, die im Wärmetauscher die in ihnen enthaltene Wärme weitgehend an ein im vorliegenden Fall flüssiges, sekundäres Wärmetransportmedium T abgegeben haben, aus. Im vorliegenden Fall ist in diesem Austritt eine Sonde Szur Messung der Temperatur der aus dem Wärmetauscher Waustretenden Abgase vorgesehen, ferner ein im folgenden noch erläuterter Zyklonabscheider Z Der Wärmetauscher W weist im unteren Teil mehrere Anschlüsse und dazugehörige Absperrventile auf, die mit Ve, V4 bzw. V5 bezeichnet sind, weiterhin zwei weitere Ableitungen mit Absperrventilen im oberen Teil, welche V2 und V3 bezeichnet sind. Weiterhin ist in der Abgasleitung A, welche die Abgase vom Motor M zum Wärmetauscher W leitet, noch eine Abzweigung mit einem Ventil V6 vorgesehen.
• Das Verfahren wird so durchgeführt, daß je nach den Umständen, d. h. entweder einer festgelegten Betriebszeit oder eines zu hohen Anstiegs der durch die Sonde S gemessenen Temperatur beim aus dem Wärmetauscher W austretenden Abgas oder nach bestimmten Betriebszeiten, die im Kühlwasserkreislauf des Wärmetauschers W d. h. dessen flüssigem, sekundärem Wärmetransportmediums, angeordnetenVentile V1 und V2 geschlossen werden. Gleichzeitig wird das Ventil V4 und das Ventil V3 geöffnet, wodurch das im Wärmetauscher Wbefindliche Wasser in einen - in der Figur nicht dargestellten - Vorratsbehälter abgelassen wird. Die Sekundärseite des Wärmetauschers W ist nunmehr frei von Wärmetransportmediums, d. h. Kühlflüssigkeit, so daß sich der Wärmetauscher W der zur Vermeidung von Wärmeverlusten nach außen üblicherweise isoliert ist, sehr rasch durch die Abgase aus dem Motor aufheizt. Über die Sonde S kann ein ausreichender Temperaturanstieg festgestellt werden, d. h. ob eine zur Reinigung der Wärmetauscherflächen ausreichende Temperatur erreicht ist, wobei diese Temperatur durch einfache Vorversuche festgelegt werden kann, oder der Wärmetauscher durch die heißen Abgase bis zur maximal möglichen Temperatur durch diese Abgase aufgeheizt worden ist, wobei die maximal mögliche Temperatur ebenfalls durch einen einfachen Vorversuch ermittelt werden kann. Während dieses Aufheizvorgangs muß das Ventil V3 immer geöffnet sein, um einen Überdruck auf der Sekundärseite des Wärmetauschers Wzu vermeiden.
• Nach ausreichendem Aufheizen des Wärmetauschers muß dieser vor dem Wiedereinfüllen des Wärmetransportmediums, im vorliegenden Fall Wasser, abgekühlt werden. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß der Motor Mabgeschaltet wird und der Wärmetauscher durch die unvermeidlichen Wärmeverluste langsam ab- gekühlt wird. Diese Abkühlung kann auch dadurch beschleunigt werden, daß bei geöffnetem Ventil V5 und geöffnetem Ventil V3 durch die Sekundärseite des Wärmetauschers ein Kühlluftstrom geblasen wird, weiterhin kann durch das Ventil V6 auch auf der Abgasseite durch Einblasen von Luft eine raschere Abkühlung des Wärmetauschers erreicht werden. Falls es nicht möglich ist, den Motor Mabzuschalten, d. h. die Anlage stillzulegen, kann durch starkes Einblasen von Luft über das Ventil V5 auf der Sekundärseite und/oder von Luft durch das Ventil V6 in die Abgasleitung ein ausreichendes Abkühlen des Wärmetauschers erreicht werden. In einem solchen Fall ist es allerdings vorteilhaft, das Wiederauffüllen des Wärmetauschers mit dem Wärmetransportmedium, d. h. im vorliegenden Fall Wasser, sehr langsam bei geöffnetem Ventil V3 vorzunehmen. Falls sich der Wärmetauscher noch auf einer Temperatur oberhalb von 100"C befindet, verdampft ein Teil des eingefüllten Wassers und tritt als Dampf über das Ventil V3 in die Atmosphäre oder eine geeignete Kondensatvorrichtung ein, so daß der Wärmetauscher durch die hohe Verdampfungswärme des Wassers relativ rasch abgekühlt wird. Nach Füllen des Wärmetauschers mit Wärmetransportmedium, d. h. Wasser, kann dann das Ventil V3 geschlossen und die Ventile Vs sowie V2 geöffnet werden, um damit den Wärmekreislauf wieder in Gang zu setzen. Das Wiederauffüllen des Wärmetauschers kann auch durch langsames Einfüllen erfolgen. Bei einer Versuchsanlage wurde ein Dieselmotor mit einem Hubraum von etwa 5500 cm3 verwendet, der mit einem Gemisch aus Heizöl und Altöl betrieben wurde. Das Altöl wurde in geeigneter Weise über Filter aufbereitet, um einen einwandfreien Betrieb zu ermöglichen. Der Motor hatte eine Wasserkühlung und trieb einen Innenpol-Synchrongenerator mit einer Leistung von 70 kVA an.
• Der Abgaswärmetauscher war ein senkrecht stehender Rohrbündeltauscher, der mit Wasser als Sekundär-Wärmetransportmedium betrieben wurde und eine Höhe von etwa 2 m und einen Durchmesser von 22 cm besaß.
• Der Wärmetauscher war aus Stahl gefertigt, da die Verwendung von Stahl vorteilhaft ist, insbesondere da der Wärmeaustauscher beim Aufheizvorgang teilweise auf Temperaturen von 600 bis 650"C kommen kann. Das Rohrbündel des Wärmetauschers bestand aus 25 Stahlrohren mit einem Außendurchmesser von 2,7 cm. Der Wärmetauscher war an das Gefäß einer>Warmwasserheizung angeschlossen, seine Vorlauftemperatur lag in der Größenordnung von 500 C, die Wasseraustrittstemperatur betrug etwa 70"C, diese ist jedoch etwas von der Belastung des Motors abhängig.
• Nach etwa 300 Betriebsstunden wurde der Wasserkreislauf des Wärmetauschers abgeschaltet, das hierin enthaltene Wasser in einen Behälter abgelassen und dann bei geöffnetem Ventil V3 etwa eine Stunde das Aufheizen der Wärmetauscherflächen durchgeführt.
• Hierbei ergab sich ein Aufheizen auf etwa 600 bis 650"C, wodurch der Tauscher zunächst völlig abtrocknete, und sich danach selbsttätig von Ruß reinigte. Hierbei verglühte ein Teil der Ablagerungen, der andere Teil der Ablagerungen wurde vom Abgas mitgerissen, und konnte in einer Rußfalte abgelagert werden. Die übrigen, flüchtigen bzw. verdampfbaren Bestandteile gelangten mit dem Abgas in die Atmosphäre, gegebenenfalls können sie über eine geeignete Waschvorrichtung auch aufgefangen und ausgewaschen werden.
• Durch geeignete, an sich bekannte und nicht näher erläuterte Steuerungs- und Meßeinrichtungen, wie Betriebsstundenzähler oder Temperaturmeßsonden und geeignete Steuerventile sowie eine vorprogrammierte Steuereinheit, kann das beschriebene Verfahren selbsttätig zu vorher frei gewählten Zeitpunkten oder Betriebszuständen durchgeführt werden, so daß hierzu keine Wartungsarbeiten durchzuführen sind, was besonders bei kleineren Anlagen Kostenersparnisse mit sich bringt Das beschriebene Verfahren kann auch in Abhängigkeit vom Rückstau der Abgase im Wärmetauscher bzw.
• dem Druckverlust im Wärmetauscher durchgeführt werden, d. h. bei Anstieg dieser Meßgrößen auf vorher frei wählbar eingestellte und durch Vorversuche ermittelte Werte, wird es durch eine automatisch arbeitende Steuerungseinrichtung ausgelöst und durchgeführt.
• Bei dem Aufheizvorgang werden im Wärmetauscher von dessen Wänden teilchenförmige Ablagerungen freigesetzt, welche die Umwelt verschmutzen könnten, da sie mit den heißen Abgasen mitgerissen werden. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, zum Auffangen dieser Teilchen nach dem Wärmetauscher einen praktisch ohne Druckverlust arbeitenden Zyklonabscheider anzubringen, in welchem auch während des normalen Betriebes des Wärmetauschers ein Teil der Rußteilchen der Abgase abgeschieden wird.
• - L e e r s e i t e -

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Reinigung von Wärmetauschern mit feststehenden Wärmetauschkanälen für ein primäres und sekundäres Wärmetransportmedium, wobei die Medien je eine Seite der Kanalwand berühren, gemäß dem die Zirkulation des sekundären Wärmetransportmediums periodisch unterbrochen und der Wärmetauscher vom primären Wärmetransportmedium auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Wärmetauscher für Abgase aus stationären Verbrennungsmotoren zum Betrieb von Wärmepumpen oder zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme durchgeführt wird, und der Wärmetauscher durch die heißen Abgase bis auf eine zur selbsttätigen Reinigung der primären Wärmetauscherflächen ausreichende Temperatur aufgeheizt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es periodisch zu vorher eingestellten, frei wählbaren Zeitpunkten automatisch durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einer vorher eingestellten, frei wählbaren Betriebszeit des Verbrennungsmotors automatisch durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bei Erreichen einer vorher gewählten Grenztemperatur der aus dem Wärmetauscher austretenden Abgase automatisch durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zu Zeiten hohen Bedarfs an mechanischer Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors jedoch geringen Wärmebedarfs automatisch durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei wenigstens 50% der möglichen mechanischen Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors durchgeführt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Benutzung eines Wärmetauschers mit flüssigem sekundärem Wärmetransportmedium der Wärmetauscher nach dem Aufheizvorgang vor dem Wiedereinfüllen des flüssigen Wärmetransportmediums durch Einblasen von Luft in den sekundären Wärmekreislauf und/oder zusammen mit Abgas in den Wärmetauscher abgekühlt wird.

   Die Erfindung betrfft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Ein derartiges Verfahren ist aus der GB-PS 849 053 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren sollen Ablagerungen von mit Öl befeuerten Öfen entfernt werden, wobei die heißen, Schwefeltrioxid enthaltenden Abgase durch einen Wärmetauscher unterhalb des Taupunkts dieser Gase zur Wärmeabgabe durchgeschickt werden.

   Hierbei treten insbesondere schwefelhaltige Ablagerungen in dem Wärmetauscher auf, die periodisch entfernt werden müssen. Zur leichteren Entfernung dieser Ablagerungen, welche durch Abwaschen der Ablagerungen erfolgt, wird das primäre Wärmetransportmedi- um, d. h. die Abgase, periodisch abgeschaltet, um die Wärmetauscherflächen auf eine höhere Temperatur zu bringen und die Ablagerungen zu trocknen. In der GB-PS 8 49 053 ist als- Maximaltemperatur der in den Wärmetauscher eintretenden Abgase 149"C angegeben. Bei dieser bekannten Verfahrensweise erfolgt keine selbsttätigende Reinigung der primären Wärmetauscherflächen, sondern diese erfolgt erst durch das spätere Waschen mit Wasser.

   Bei stationären Anlagen zum Betrieb von Wärmepumpen oder zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme, welche als Antrieb Verbrennungsmotoren benutzen, ist es bereits bekannt, die zwangsläufig neben der mechanischen Leistung zum Betrieb der Wärmepumpe oder des Generators für den elektrischen Strom anfallende Wärme möglichst vollständig auszunutzen.

   Hierbei ist-es relativ einfach, die im Verbrennungsmotor anfallende Wärme abzuführen, da solche Verbrennungsmotoren üblicherweise wassergekühlte Verbrennungsmotoren sind. Jedoch ist es auch im Fall von luftgekühlten Verbrennungsmotoren ohne weiteres möglich, die anfallende Motorenwärme einem Heizsystem, beispielsweise über einen als Puffer wirkenden Warmwasserspeicher, zuzuführen, Ein erheblicher Anteil der mit den Kraftstoffen dem Motor zugeführten Energiemenge ist jedoch noch in den Abgasen enthalten, größenordnungsmäßig liegt dieser Anteil zwischen 25 und 35% der durch den Kraftstoff zugeführten Energiemenge. Daher ist es für einen wirtschaftlichen Betrieb praktisch unerläßlich, auch noch die in den Abgasen enthaltene Wärme für Heizzwecke oder zur Warmwasserbereitung auszunutzen. Solche Abgase werden daher durch Wärmetauscher durchgeleitet, um die in ihren enthaltenen Nutzwärme möglichst weitgehend auszunutzen.

   Falls solche stationären Anlagen mit flüssigen Kraftstoffen und insbesondere mit Dieselöl bzw. Heizöl oder auch mit Mischungen aus Heizöl/Dieselöl plus aufbereitetem Altöl betrieben werden, treten an den Wärmetauscherflächen mit der Zeit Ablagerungen auf, d. h. im Abgas der Verbrennungsmotoren enthaltene Rußteilchen lagern sich an den Wandungen des Tauschers ab.

   Falls es sich um einen sehr wirksamen Wärmetauscher handelt, bei welchem der Taupunkt der Abgase des Verbrennungsmotors noch unterschritten wird, bildet sich ferner an den Wärmetauscherflächen ein Kondensat, in welchem diese Rußteilchen noch verkleben. Eine solche Kondensatbildung würde sich im Betrieb nur durch überhöhte Temperaturen vermeiden lassen, dies würde jedoch einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad einer solchen stationären Anlage zum Betrieb von Wärmepumpen oder zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme mit sich bringen. Ein solches sich auf den Wärmetauscherflächen abscheidendes Kondensat besteht je nach verwendetem Kraftstoff für den Verbrennungsmotor aus einer verdünnten Lösung von schwefliger Säure und/oder Schwefelsäure. Weiterhin können sich neben Ruß auch noch im Abgas enthaltene Ascheteilchen auf den Wärmetauscherflächen ablagern. Auf den Wärmetauscherflächen bildet sich daher an den Stellen des Wärmetauschers, an denen der Taupunkt unterschritten wird, ein schlammiger Brei aus Ruß, Asche, Wasser und den genannten Säuren, wobei letztere mit dem Wärmetauscherflächen auch noch in Reaktion treten können.

   Diese Erscheinungen führen dazu, daß die Rohrwandungen des Wärmetauschers langsam beschlagen bzw.