Überlegungen zur automatischen Filtration von Kühlturmwassersystemen

Abfallreduzierung und Prozesseffizienz sind für Unternehmen, die einen reibungsloseren Betrieb anstreben, von entscheidender Bedeutung. Da verschiedene Branchen, darunter auch die Energieerzeugung, nach Möglichkeiten zur Verbesserung der betrieblichen Effizienz suchen, haben sich auch Verfahren zur Kühlwasseraufbereitung weiterentwickelt, um dieser Herausforderung gerecht zu werden.

Kühltürme führen Abwärme ab und kühlen zirkulierendes Wasser für Systeme in Kraftwerken (Abbildung 1), Chemiefabriken und Ölraffinerien. Da manchmal Zehntausende Gallonen Wasser pro Minute ununterbrochen durch Kühltürme fließen, spielt die Filterung eine entscheidende Rolle dabei, die Systeme sauber, effizient und betriebsbereit zu halten.

1. Automatische Filterlösungen unterstützen kontinuierliche Verbesserungsprogramme für Industrieunternehmen aller Art, einschließlich Kraftwerken. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton/Getty Images

In Kühltürmen wird kontinuierlich Wasser in Kaskaden geleitet, um Luftschadstoffe aus der Atmosphäre zu entfernen und sie in das Kühlsystem zu befördern. Diese Systeme können auch durch Wassereinbruch oder durch mitgerissene Feststoffe infolge von Korrosionsprozessen verunreinigt werden. Viele Kühlwassertürme verfügen außerdem über ein chemisches Behandlungssystem, um mikrobiologisches Wachstum und Kontamination zu bekämpfen.

Ablagerungen und andere schädliche Partikel können die Effizienz von Kühlsystemkomponenten wie Wärmetauscher und Rohrleitungsausrüstung verringern. Kühlwasser – und andere Arbeitsflüssigkeiten, die üblicherweise in Kühlmittelströmen verwendet werden – müssen sauber gehalten werden, um eine effektive Abfuhr der Prozesswärme zu ermöglichen. Eine Verschmutzung der Wärmetauscheroberfläche durch Ablagerungen oder Verunreinigungen verringert die Energieeffizienz und kann sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit anderer Kühlsystemanlagen auswirken.

Die industrielle Filtration trägt dazu bei, einen kontinuierlichen Durchfluss und einen sorgenfreien Betrieb von Kühlwassersystemen sicherzustellen. Der Markt bietet viele Arten manueller und automatischer Lösungen mit automatischer Filterung, die häufig auf Rückspül- und mechanischen Reinigungstechnologien basieren. Die automatische Filtration hat Vorteile gegenüber manuellen Filtrationsmethoden, deren Anwendung arbeitsintensiv sein kann. Ein erster Schritt zur Ermittlung des Filterbedarfs besteht darin, die folgenden Fragen zu berücksichtigen:

■ Wie viel Schmutz oder Partikel wird gesammelt? Wenn die vorhandene Filtermethode nur gelegentliche Wartung erfordert – wenn die Reinigung und Umstellung alle paar Wochen erfolgt –, ist ein automatisches System möglicherweise nicht erforderlich (im Allgemeinen ist ein vorgeschaltetes Sieb die beste Wahl für unkritische Anwendungen, bei denen Partikel mit einer Größe von 50 Mikron oder kleiner sind). wird sich nicht negativ auf den Prozess oder die Ausrüstung auswirken). Wenn das Filterelement hingegen schnell überlastet ist oder eine häufige manuelle Reinigung erforderlich ist, sollte ein automatisches System Vorrang haben.

■ Welcher Filtergrad ist erforderlich? Eine Partikelgrößenverteilungs- oder PSD-Analyse kann die Größe und den Bereich der Partikel bestimmen, die für ein bestimmtes Kühlwassersystem repräsentativ sind. Die Bestimmung des Partikelgrößenbereichs erleichtert die Auswahl einer Filtrationslösung für optimale Leistung und Zuverlässigkeit.

■ Wie hoch ist der Durchfluss? Die Filterlösung muss die maximale Durchflussrate bewältigen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die Filtrationsraten werden üblicherweise in Gallonen pro Minute pro Quadratfuß Filterfläche (gpm/ft 2) ausgedrückt. Werden Druck und Durchfluss außerdem konstant oder variabel sein?

■ Wie viel Verlust ist tolerierbar? Durch die Rückspülung werden Filter gereinigt, um angesammelte Verunreinigungen zu entfernen. Einige Filtrationslösungen erfordern einen erheblich größeren Rückspülfluss, was zu einem erhöhten Wasserverbrauch und möglichen Medienverlusten führt. Mechanisch gereinigte Filter erfordern in der Regel keine Rückspülung und erzeugen deutlich weniger Wasser zur Entsorgung.

■ Wie viel Platz wird das System einnehmen? Industrielle Filtersysteme variieren je nach Filteranforderung und Durchflussrate stark in Größe und Profil. Es ist ratsam, einen Partner mit Erfahrung in der Entwicklung und Installation maßgeschneiderter Filterlösungen zu konsultieren.

■ Wie hoch ist der Aufwand? Unabhängig davon, ob es sich bei der Lösung für Ihr System um einen Hochleistungsfilter, ein langlebiges, wartungsfreies Sieb oder beides handelt, lohnt es sich, Zeit zu investieren, um die gesamte Palette der Optionen zu erkunden, da sich die richtige industrielle Filtrationslösung über Jahre hinweg auszahlen kann.

■ Wie hoch ist der Return on Investment? Die richtige Filterlösung kann die Betriebs- und Arbeitskosten erheblich senken und gleichzeitig Unternehmen dabei helfen, Vorschriften einzuhalten und ihre Ziele für einen verantwortungsvollen Wasserverbrauch und eine verantwortungsvolle Wasserentsorgung zu erreichen.

Der Ansatz besteht häufig darin, ein Multifiltersystem mit ausreichend zusätzlicher Kapazität zur Bewältigung des Prozessstroms einzusetzen, während ein oder mehrere Filter zur Reinigung oder zum Austausch offline geschaltet werden. Ein alternativer Ansatz ist ein selbstreinigender automatischer Filter, der keine Ausfallzeiten für die Wartung erfordert.

Zu den Vorteilen der automatischen Filtration gehören die Reduzierung des Wasserverlusts und des Energieverbrauchs, die Bekämpfung von Partikelverschmutzung und Korrosion sowie die Erhöhung der Prozessverfügbarkeit. Es reduziert außerdem den Wartungsaufwand, verlängert die Lebensdauer von Kühlsystemkomponenten und trägt dazu bei, Branchen-/Umweltkonformitätsmaßnahmen zu erreichen.

Industrielle Siebe und Filter erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion, Filter können jedoch wesentlich kleinere Partikel entfernen. Generell gilt: „Was man nicht sieht, kann man nicht belasten.“ Das bedeutet, dass Partikel bis zu einer Größe von bis zu 0,004 Zoll (0,1 Millimeter) – oder anders ausgedrückt 100 Mikrometer oder 150 Mesh – mit einem vorgeschalteten Sieb effektiv entfernt werden können. Für alles, was kleiner ist, ist ein Filter erforderlich.

Unabhängig davon, ob ein Sieb oder ein Filter verwendet wird, müssen sich im Filterelement angesammelte Partikel regelmäßig entfernt werden. Das Stoppen des Durchflusses und die manuelle Reinigung des Elements bedeuten, dass der Prozess während der Wartung abgeschaltet oder das Sieb/Filter umgangen werden muss. Da keines der beiden Szenarios optimal ist, beginnt oft die Suche nach einem selbstreinigenden Filter. Es gibt zwei standardmäßige automatische Filterausführungen: automatische Rückspülung und mechanisch gereinigte Filter.

Automatische Rückspülsysteme ermöglichen die Reinigung durch eine integrierte Rückspülfunktion, die einen unterbrechungsfreien Durchfluss gewährleistet. Diese verwenden üblicherweise einen rotierenden hohlen Innenarm, um auf dem Filtermedium abgelagerte Rückstände zu sammeln. Wenn sich eingefangene Partikel ansammeln, erhöht sich der Druckabfall durch den Filter, bis er einen vorgegebenen Wert erreicht. An diesem Punkt wird ein Ventil geöffnet, sodass Flüssigkeit und angesammelter Schmutz durch den rotierenden Arm austreten können.

Ein vorgeschaltetes Sieb kann auch eine wertvolle Ergänzung für jedes Kühlwasserturm-Filtrationssystem sein. Die grobe Vorfiltration schützt Pumpen und empfindlichere Nachfilter, indem sie große unerwünschte Feststoffe aus dem Kühlstrom entfernt. Oftmals amortisiert sich diese Lösung durch eine längere Lebensdauer der Filterelemente, weniger Ausfallzeiten und einen geringeren Wartungsbedarf.

Automatische Rückspülfilter sind auch während und nach Störungen selbstkorrigierend. Unter Störbedingungen beginnt der Filter kontinuierlich mit der Rückspülung. Sobald sich der Prozess wieder normalisiert, normalisieren sich auch die Rückspülintervallzeiten. Die Reinigungshäufigkeit kann auf Zeit, Differenzdruck, manueller Auswahl oder anderen anwendungsspezifischen Kriterien basieren.

Typischerweise wird dieser Filtertyp zum Entfernen von Partikeln mit einer Größe von mehr als 50 Mikrometern verwendet und kann Schmutzmengen von etwa 200 Teilen pro Million (ppm) bewältigen. Automatische Filter werden am besten in Situationen mit hohem Volumen eingesetzt, in denen Flüssigkeitsverluste von bis zu 5 % des Gesamtdurchflusses während der Reinigung akzeptabel sind.

Bei der zweiten automatischen Filterkonstruktionsoption wird eine mechanische Reinigungsscheibe verwendet, um angesammelten Schmutz vom Filtermedium abzukratzen (Abbildung 2). Typischerweise trägt ein vorab festgelegter Reinigungszyklus dazu bei, einen stabilen Durchfluss zu gewährleisten. Sollten eingeschlossene Schmutzpartikel außerdem den Druckabfall im Filter erhöhen (was zu einer Störung führt), kann der Abstreifer außerdem auf einen vorgegebenen Wert aktiviert werden (beachten Sie, dass eine zuverlässige Differenzdruck-Überbrückungsfunktion für jedes gut funktionierende Filtersystem von entscheidender Bedeutung ist). Der Schmutz wird dann am Boden des Filtergehäuses abgelagert, wo er entfernt werden kann, ohne den Durchfluss durch den Filter zu unterbrechen.

2. In diesem Beispiel einer automatischen Rückspülfiltration strömt der Zufluss durch den Innenzylinder. Partikel sammeln sich an der Innenfläche der Siebkammer, während gefilterte Flüssigkeiten nach unten und aus der Kammer fließen. Die Rückspülphase ist so eingestellt, dass sie in einem zeitgesteuerten Zyklus mit Differenzdrucküberbrückung aktiviert wird. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton

Aufgrund dieser Reinigungswirkung eignen sich mechanische Reinigungsfilter (Abbildung 3) zum Entfernen von Partikeln mit einem Durchmesser von mehr als 25 Mikrometern. Einige dieser Filter sind in der Lage, höhere Schmutzmengen und häufigere Spülzyklen zu bewältigen als herkömmliche automatische Filter. Die meisten verwenden auch nur eine kleine Menge gefilterter Flüssigkeit, um den Schmutz abzutransportieren und zu entsorgen.

3. In diesem Beispiel einer mechanischen Reinigungsfiltration wird eine Reinigungsscheibe verwendet, um Verunreinigungen vom Filterelement zu entfernen. Druckluft an der Ober- und Unterseite der Mittelsäule wird verwendet, um einen Magnetblock im Rohr anzutreiben, an den die Reinigungsscheibe magnetisch gekoppelt ist. Durch die Bewegung des Magneten wird die Scheibe in engem Kontakt mit dem Filtermedium gezogen. Diese Schabewirkung unterstützt einen gründlichen Reinigungszyklus, da sich Schmutz am Boden des Geräts ansammelt. Das im Vergleich zum Volumen der behandelten Flüssigkeit geringe ausgetragene Volumen trägt auch dazu bei, Produktverschwendung zu reduzieren. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton

Beachten Sie, dass entweder ein Sieb oder ein Filter einen Druckabfall und auch eine Durchflussbeschränkung erzeugt. Beide Faktoren müssen beim Entwurf des Systems berücksichtigt werden. Das nachträgliche Hinzufügen von beidem erfordert möglicherweise eine Vergrößerung der Pumpen, um ein ausreichendes Durchflussvolumen und einen ausreichenden Druck aufrechtzuerhalten.

Wenn eine noch feinere Filterung erforderlich ist, können später Beutel- oder Patronenfilter in Betracht gezogen werden. Beutel- oder Patronenfilter verwenden Einwegmedien, die eine feinere Rückhaltung und Partikelentfernung ermöglichen. Es muss zwischen einem Simplex-System, bei dem der Filtervorgang beim Filterwechsel unterbrochen wird, und der Wahl eines Duplex- oder Run-and-Standby-Systems, um dies zu vermeiden, getroffen werden. Diese Konfiguration mit mehreren Filtergehäusen kann eine kontinuierliche Filterung ermöglichen, sodass eine Seite gereinigt werden kann, während die andere gewartet wird. Beutel- oder Kartuschensysteme erfordern regelmäßige Wartung und Systementwickler müssen auch die Kosten für den Kauf und die Entsorgung der Verbrauchsmaterialien berücksichtigen.

Die Auswahl der optimalen industriellen Filtrationslösung ist selten ein einfacher Prozess. Es sind viele Faktoren und Ansätze zu berücksichtigen, und selbst Anlagen mit ähnlichen Funktionen können erheblich unterschiedliche Designanforderungen haben, einschließlich der Notwendigkeit einer chemischen oder biologischen Behandlung. Der umsichtige Weg besteht darin, die Prozessanforderungen mit einem sachkundigen Experten oder Lösungsanbieter zu besprechen und ihn frühzeitig in die Entwurfsphase einzubeziehen, um Herausforderungen und Chancen zu erkennen, die für das ungeübte Auge möglicherweise nicht offensichtlich sind.

Eine automatische Filterung kann mitgerissene Feststoffe und potenzielle Ablagerungen erheblich reduzieren und so die Betriebseffizienz des Kühlwassersystems verbessern. Durch die Installation eines automatischen selbstreinigenden Filters in einem Kühlwassersystem können beispielsweise Wärmetauscher, Pumpen, Ventile und Sprühdüsen geschützt werden, während gleichzeitig Partikel kontinuierlich entfernt werden und ein kontinuierlicher Durchfluss gewährleistet wird, selbst während das System rückgespült wird.

—Ulrich Latzist globaler Produktmanager, Industrial Filtration, für die Eaton Technologies GmbH in Nettersheim, Deutschland.Wim Callaert ist leitender Produktmanager für Eaton Technologies GmbH in Sint-Niklaas, Belgien. Erfahren Sie mehr unter eaton.com/filtration.

Teile diesen Artikel

Weitere O&M-Neuigkeiten