DE4035092C2 - Verfahren zur Ermittlung und Lagebestimmung eines Durchbruchs in einer Medien trennenden Wand eines Wärmetauschers durch Konzentrationsmessung von zwei durch eine gemeinsame Wand getrennten Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung und Lagebestimmung eines Durchbruchs in einer Medien trennenden Wand eines Wärmetauschers durch Konzentrations­ messung von zwei durch eine gemeinsame Wand getrennten Medien, die im Gegenstrom oder Gleichstrom thermisch behandelt werden, welches insbesondere bei Wärmeaustauschern Anwendung findet, die in Erhitzungsanlagen für flüssige, dickflüssige und pastöse Medien eingesetzt werden.

Ein Verfahren der oben bezeichneten Art ist für Röhrenwärme­ austauscher aus der US 3 425 264 bekannt, bei dem ein Medium eine Anzahl von parallelen Rohren umspült, die über gemeinsame Kopfstücke miteinander verbunden sind, und ein zweites Medium diese Rohre durchströmt. Diese Art von Wärmeaustauscher findet beispielsweise in Kernreaktor­ anlagen Anwendung, wo ein Gas, wie Kohlensäure, durch Wasser oder Dampf erhitzt wird.

Wird ein Leck im System vermutet, z. B. weil im Gaskreislauf ein Wasseranteil oder im Wasserkreislauf ein Gasanteil festgestellt wurde, werden nach dem Verfahren der US 3 425 264 beide Kreisläufe geleert. Anschließend werden die Kopfteile geschlossen und das Kopfteil auf der Zulaufseite des Wärmeaustauschers mit einer Quelle verbunden, aus der ein Spülgas, wie z. B. ein neutrales Gas, wie Argon, dem Wärmeaustauscher zugeführt wird. Danach werden die Zu- und Ableitungen des Tanks, der den Wärmeaus­ tauscher umgibt, abgedichtet, und der Tank mit einer Quelle verbunden, die ein Fühlermedium, wie Helium, zum Tank zuführt. Die Kopfteile und die Rohre des Wärmeaustauschers, die nunmehr mit der Quelle des neutralen Spülgases verbunden sind, werden mittels einer angeschlossenen Vakuumpumpe einem Unterdruck ausgesetzt und das die Kopfteile und die Rohre umspülende Fühlermedium wird durch ein vorhandenes Leck im Wärmeaustauscher, infolge des herrschenden Unterdrucks im Wärmeaustauscher, in das neutrale Spülgas eintreten. Die veränderte Konzentration des neutralen Spülgases, welche auf ein Leck im Wärmeaustauscher hinweist, wird durch einen vor der Vakuumpumpe angeordneten Detektor ermittelt, wobei aus dem Verhältnis der Konzentrations­ änderung auch die Größe des Lecks festgestellt werden kann. Um die Lage eines Lecks zu ermitteln, d. h., in welchem Rohr das Leck liegt, wird nach diesem Verfahren jedes einzelne Rohr des Wärmeaustauschers über eine zusätzliche Leitung einzeln mit dem Detektor und der Vakuumpumpe verbunden und geprüft. Dazu werden die zusätzlichen Leitungen einzeln durch Absperrventile geöffnet und geschlossen.

Aus der DE 20 59 370 ist ein Verfahren zur Ortung eines Dampflecks in einem Röhrenwärmeaustauscher mit dampfdurch­ strömten Rohren bekannt, bei dem nach der Kenntnis, daß ein Leck im Wärmeaustauscher vorhanden ist, das Leck verfahrens­ gemäß so geortet wird, daß der Wärmeaustauscher auf eine sogenannte isotherme Temperatur gebracht wird, bei der die zwischen Natrium und Wasser pro Zeiteinheit ausgetauschte Wärmenergie praktisch gleich Null ist und das gleichzeitig der Druck des Wasserdampfes in der Gesamtheit der Wärme­ austauscherrohre bis auf einen Wert leicht über dem Druck des Natriums abgesenkt wird und das nacheinander jedes Rohr der vorangehend ausgewählten Gruppe mit einem Reservoir mit wasserstoffhaltigem Fluid verbunden wird, das in die Rohre mit einem Druck, der höchstens gleich dem Druck des Wasserdampfes bei normalen Betrieb ist und mit der so­ genannten isothermen Temperatur des Natriums eingeführt wird und das durch Auftreten von Wasserstoff im Natrium, was nach an sich bekannten Verfahren nachgewiesen wird, das fehlerhafte Rohr geortet ist.

Diese bekannten Verfahren sind technisch aufwendig und insbesondere für Wärmeaustauscher nicht geeignet, in denen ein Medium thermisch behandelt wird, welches toxikologisch unbedenklich sein muß, wie z. B. Nahrungs- und Genußmittel, pharmazeutische Produkte u. a. Beide Verfahren schließen eine kurzzeitige Vermischung, der durch eine gemeinsame Trennwand getrennten Medien, infolge eines Lecks in dieser Trennwand nicht aus. Aber jede geringfügige Vermischung dieser empfindlichen Medien mit einem unbehandelten Medium und/oder einem nicht toxikologischen Medium hat eine Reinfektion des bereits thermisch behandelten Mediums zur Folge und ist daher bei diesen Medien auszuschließen. Die in der US 3 425 264 vorgeschlagene verfahrensgemäße Bestimmung der Lage des Lecks ist nur bei Wärmeaustauschern geeignet, die mit einer geringen Anzahl von einzeln getrennten Durchflußkanälen ausgebildet sind. Beispielsweise auf Rohrbündelwärmeaustauscher, wie sie aus der DE 20 59 370 bekannt sind, die mit einer großen Anzahl von Rohren ausgelegt werden oder auf Plattenwärmeaustauscher, die mit nur zwei getrennten Fließwegen ausgelegt sind, die durch mehrere parallele Durchfußkanälen zwischen den Platten gebildet werden, ist das Verfahren technisch nicht über­ tragbar.

Bei dem jahrelangen Einsatz von Wärmeaustauschern hat sich nun gezeigt, daß in Wärmeaustauschern, bei denen keine chemisch aggressiven Medien thermisch behandelt werden vorwiegend keine Beschädigung der Trennwände im normalen Produktionsprozeß auftreten. Die Beschädigungen treten überwiegend im Ergebnis der chemischen Reinigung der Wärme­ austauscher auf, die in der Regel mit entsprechenden Säuren und Laugen durchgeführt wird.

Bedingt durch die Bestrebungen, Wärmeaustauscher energetisch und in ihren wärmetechnischen Kenndaten wirtschaftlicher herzustellen und zu betreiben, wurden die Trennwände der Wärmeaustauscher, insbesondere bei Plattenwärmeaustauschern immer dünner ausgelegt, wodurch einerseits eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl erreicht wurde aber andererseits hat sich auch damit das Risiko erhöht, daß Beschädigungen an den Trennwände u. a. infolge des Säureangriff auftreten, d. h., daß die Gefahr des Entstehens eines Durchbruchs in der Trennwand während der chemischen Reinigung erhöht wurde.

Um eine Reinfektion infolge eines Durchbruchs in einer gemeinsamen Trennwand zweier Medien, insbesondere bei Produkten der Nahrungs- und Genußmittelindustrie aber auch bei anderen Produkten, die toxikologisch unbedenklich sein müssen, zu vermeiden, schreibt beispielsweise die Milch­ verordnung vor, daß in Wärmerückgewinnungsabteilungen einer Erhitzeranlage im Milchbetrieb, bei der ausreichend erhitzte Milch unzureichend erhitzter Milch gegenübersteht, ein positives Druckgefälle von mindestens 0,5 bar zugunsten der ausreichend erhitzten Seite zu gewährleisten ist.

Mit dieser Maßnahme soll eine Reinfektion durch ein unzu­ reichend erhitztes Medium infolge eines Durchbruchs in der Trennwand und/oder anderer undichter Stellen im Wärmeaus­ tauscher verhindert werden.

Diese Maßnahme hat aber auch den Nachteil, das infolge eines Durchbruchs in der Trennwand und/oder anderer undichter Stellen im Wärmeaustauscher, sich die Leistung der Erhitzungsanlage in Abhängigkeit von der Größe des Durchbruchs in der Trennwand oder einem anderen Leck verringert.

Auch der damit notwendige gerätetechnische Aufwand an Meßstellen und Druckmeßgeräten führt zu einer erheblichen Kostenerhöhung bei der Herstellung des Wärmeaustauschers bzw. der projektierten Erhitzungsanlage. Mit diesem erhöhten gerätetechnischen Aufwand steigt auch zwangsläufig der Serviceaufwand für diese Anlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein Durchbruch in einer Trennwand eines montierten Wärmeaustauschers durch Konzentrationsmessung vorbeugend ermittelt werden kann, um eine Vermischung von thermisch behandelten Medien im Wärmeaustauscher auszu­ schließen.

Eine weitere Aufgabe ist, den zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand zur Durchführung des Verfahrens geringzuhalten und den erforderlichen Serviceaufwand auf ein Minimum zu be­ schränken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wird der geschlossene Wärmeaustauscher, daß heißt im montierten Zustand, vor oder nach dem Betrieb auf mögliche Durchbrüche in den Trennwänden und auch anderweitig aufgetretene oder auftretende mögliche undichte Stellen geprüft, indem der Vor- und Rücklauf des Wärmeaustauschers mit einem Medium von gleicher Konzen­ tration gefüllt und der Rücklauf nach dem Füllen des Rücklauf abgesperrt wird. Danach wird die Konzentration des Mediums im Vorlauf verändert und nach einer vorbestimmten Zeit, die mindestens die eines Durchlaufs durch den Vorlauf entspricht, der Rücklauf wieder geöffnet und am Auslauf des Rücklaufs die Konzentration des austretenden Mediums kontinuierlich gemessen. Infolge der im Wärmeaustauscher herrschenden unterschiedlichen Druckverhältnisse, tritt beim Vorliegen eines Durchbruchs in einer gemeinsamen Trennwand oder einer anderen undichten Stelle im Wärmeaustauscher das Medium mit der erhöhten Konzentration ein und es erfolgt ein Konzentrationsveränderung in dem gegenüberstehenden Medium. Dieser Konzentrationssprung zeigt auf einer aufgezeichneten Zeitachse den Durchbruch und dessen Lage an.

Die Messung der Konzentration des Mediums auf eine mögliche Veränderung kann auch zusätzlich am Ausgang einer einzelnen Sektion des Wärmeaustauschers oder zusätzlich am Austritt jeder Sektion des Wärmeaustauschers erfolgen.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Konzentration des Mediums auf eventuelle Veränderungen nur am Austritt von Einzelsektionen des Wärmeaustauschers gemessen wird.

Vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Verfahrensschritte in den Zyklus der CIP-Reinigung einbezogen werden, wenn eine CIP-Reinigung für den Wärmeaustauscher erforderlich ist, da in diesem Fall nacheinander Medien mit unterschiedlicher Konzentration durch den Wärmeaustauscher gefahren werden, wie Wasser, Reinigungsmittel (Säure oder Lauge) und Wasser.

Durch die Lage des registrierten unplanmäßigen Konzentra­ tionssprungs auf der Zeitachse des Diagramms wird durch Auswertung des Konzentrationssprungs, der vor Eintritt des Konzentrationssprungs infolge des zugeführten Mediums mit erhöhter Konzentration planmäßig auftritt, die Lage der undichten Stelle und/oder des Durchbruchs in der Wand des Wärmeaustauschers in einem bestimmten Bereich eingegrenzt, wodurch die einzuleitenden Maßnahmen, wie z. B. den Austausch der Trennwand wesentlich erleichtert und verkürzt.

Mit diesem erfinderischen Verfahren wird bei Wärmeaus­ tauschern, in denen zwei durch eine gemeinsame Wand getrennte Medien strömen, eine Vermischung der Medienströme und damit eine Reinfektion des bereits thermisch behandelten Mediums im Wesentlichen ausgeschlossen, da ein mögliches Eintreten des einen Medienstroms in den anderen Medienstrom, u. a. infolge eines Durchbruchs in der Trennwand, durch die verfahrensgemaß vorbeugend durchgeführte Prüfung im nachfolgenden Betrieb der Anlage mit einer ausreichenden Sicherheit vermieden wird. Das bedeutet aber auch, daß Leistungsverluste des Wärmeaustauschers selbst und damit der Gesamtanlage ausgeschlossen werden.

Durch die erfindungsgemäße Eingrenzung der undichten Stelle im Inneren des Wärmeaustauschers und deren Lagebestimmung, wird der Zeitaufwand für die Reparatur des Wärmeaustauschers bzw. das Auffinden der undichten Stelle, wie z. B. des Durchbruchs in der Trennwand, der nur ein kaum sichtbarer Haarriß sein kann, wesentlich verringert bzw. vereinfacht und damit die Stillstandszeit der Gesamtanlage erheblich verkürzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer Erhitzungsanlage für Milch, an der eine Möglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt ist.

Fig. 2 ein Diagramm, bei dem der planmäßige Konzentrations­ sprung infolge des zugeführten Mediums mit einer erhöhten Konzentration eintritt.

Fig. 3 ein Diagramm, bei dem ein Konzentrationssprung infolge eines Durchbruchs in der Trennwand nach Fig. 1 gezeigt ist.

Das erfindungsgemaße Verfahren ist allgemein bei allen bekannten Wärmeaustauschern anwendbar. Im Ausführungs­ beispiel wird das Verfahren beispielsweise anhand einer Erhitzungsanlage zum Pasteurisieren von Milch beschrieben, in der ein Plattenwärmeaustauscher zu Anwendung kommt.

Der in Fig. 1 gezeigte Plattenwärmeaustauscher 1, besteht aus einem Erhitzer 1a, einem Austauscher 1b und einem Kühler 1c, der in die Erhitzungsanlage zum Pasteurisieren von Milch mit einbezogen ist. Die gezeigte Erhitzungsanlage besteht weiter aus einem Vorlaufbehälter 7, einer Pumpe 2, einem Separator 5, einem Heißhalter 6, einer Umschalt­ einrichtung 4 und einem Meßgerät 3 zur Messung der Konzentration des aus dem Plattenwärmeaustauscher 1 austretenden Mediums.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird aus dem Vorlauf­ behälter 7 über die Pumpe 2 ein Medium mit einer konstanten Konzentration, z. B. Wasser, dem Vorlauf des Austauschers 1b, dem Separator 5, dem Erhitzer 1a bzw. über einen zweiten Austauscher dem Erhitzer 1a des Plattenwärmeaustauschers 1, der Umschalteinrichtung 4, dem Heißhalter 6, dem Rücklauf des Austauschers 1b und dem Kühler 1c zugeführt und tritt über das Meßgerät 3 zur Ermittlung der Konzentration aus der Erhitzungsanlage aus.

Nachdem die gesamte Erhitzungsanlage mit dem Medium von konstanter Konzentration gefüllt ist, wird der Rücklauf des Austauschers 1b mittels der Umschalteinrichtung 4 gesperrt. Möglich ist auch eine Umgehung des Rücklaufs des Austauschers 1b.

Nach dem Absperren bzw. Umleiten des Rücklaufs des Aus­ tauschers 1b wird dem Vorlaufbehälter 7 ein Medium höherer Konzentration zugeführt, im Fall des Einbeziehens des Verfahrens in die CIP-Reinigung, kann die für die Reinigung verwendete Säure oder Lauge benutzt werden, und dieses Medium wird über die Pumpe 2 durch die gesamte Erhitzungs­ anlage, ausgenommen dem abgesperrten Rücklauf des Aus­ tauschers 1b gedrückt. Mit der Zuführung dieses Mediums stehen sich nunmehr zwei Medien mit einer unterschiedlichen Konzentration in den Durchflußkanälen des Plattenwärmeaus­ tauschers 1 gegenüber.

Nach einer bestimmten Zeit, die abhängig von mindestens einem Umlauf durch die Erhitzungsanlage ist, ausgenommen des abgesperrten Rücklaufs des Austauschers 1b, wird über die Umschalteinrichtung 4 der Rücklauf des Austauschers 1b geöffnet bzw. die Umgehung des Austauschers 1b aufgehoben, so daß das Medium mit erhöhter Konzentration nunmehr das im Rücklauf des Austauschers 1b stehende Medium mit konstanter Konzentration durch den restlichen Teil des Plattenwärme­ austauschers 1, beginnend beim Rücklauf des Austauschers 1b, aus dem Plattenwärmeaustauscher 1 drückt. Das aus dem Plattenwärmeaustauscher aus tretende Medium wird mittels eines bekannten Meßgerätes 3 auf seinen Konzentrationsgehalt geprüft.

Für den Fall, daß in der Trennwand, die die beiden Medien trennt, ein undichte Stelle, beispielsweise ein Durchbruch vorhanden ist, tritt ein Teil des einen Mediums, infolge der herrschenden Druckverhältnisse im Plattenwärmeaustauscher 1, in das andere Medium ein und es erfolgt in diesem Medium eine Konzentrationsänderung ab dem Punkt der undichten Stelle. Diese Konzentrationsänderung wird durch das am Austritt des Plattenwärmeaustauschers 1 angeordneten Meßgerätes 3 registriert und führt, wie in Fig. 3 zu sehen ist, zu einem kurzzeitigen und nicht unbedingt dauerhaften Ausschlag auf der Konzentrationsachse 2.

Dieser Ausschlag, der vor dem planmäßigen Ausschlag bei τ0 eintritt, d. h., der vor dem gewollten Konzentrationssprung auf Grund der Konzentrationsänderung des einen Mediums eintritt, ist ein eindeutiges Merkmal das im Plattenwärme­ austauscher 1, eine undichte Stelle vorhanden ist, die in der Regel auf einen Durchbruch in der Trennwand zurückzu­ führen ist, die die beiden Durchflußkanäle der Medien trennt.

Durch die Lage des Konzentrationssprunges auf der Zeitachse wird der Bereich der undichten Stelle bei der Auswertung des Diagramms eingegrenzt, so daß die Lage dieser undichten Stelle genauer bestimmt werden kann.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, tritt beispielsweise bei der dargestellten gestrichelten Linie der Konzentrationssprung bei τ10 im vorderen Bereich des Plattenwärmeaustauschers 1 ein und lokalisiert damit den Durchbruch bzw. die undichte Stelle in der vorderen Sektion. Die geschlossene Linie zeigt den Konzentrationssprung bei τ12 an, der auf eine undichte Stelle bzw. Durchbruch im hinteren Drittel des Plattenwärme­ austauschers 1 hinweist. Aus den unterschiedlichen Höhen der Konzentrationssprünge kann gleichzeitig ein Rückschluß auf die Größe des Lecks bzw. des Durchbruchs gezogen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung und Lagebestimmung eines Durchbruchs in einer Medien trennenden Wand eines Wärmetauschers durch Konzentrationsmessung von zwei durch eine gemeinsame Wand getrennten Medien, die im Gegenstrom oder Gleichstrom thermisch behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Betrieb der Anlage der Vor- und Rücklauf mit einem Medium gleicher Konzentration gefüllt wird und danach der Rücklauf abgesperrt wird und die Konzentration des Medium im Vorlauf verändert wird und nach einer vorbestimmten Zeit der Rücklauf wieder geöffnet wird und das am Austritt des Rücklaufes die Konzentration des austretenden Mediums kontinuierlich gemessen wird und beim Vorliegen eines Durchbruches durch die gemeinsame Wand über den Konzentrationssprung auf einer Zeitachse die Lage des Durchbruchs bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Mediums zusätzlich am Austritt einer einzelnen Sektion des Wärmeaustauschers gemessen wird und beim Vorliegen eines Durchbruchs durch die gemeinsame Wand über den Konzentrationssprung auf einer Zeitachse die Lage des Durchbruchs bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Mediums zusätzlich am Austritt jeder Sektion des Wärmeaustauschers gemessen wird und beim Vorliegen eines Durchbruchs durch die gemeinsame Wand über den Konzentrationssprung auf einer Zeitachse die Lage des Durchbruchs bestimmt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte in den Zyklus der CIP-Reinigung einbezogen werden.