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2. Berechnung von Eindickung und Umlaufwasserqualität im Kühlturmkreislauf

Die Berechnung erfolgt in Anlehnung an DIN 38404-10-R 2 / -R3 zur Charakterisierung von Trinkwasser; der Berechnung liegen thermodynamische Gesetzmäßigkeiten - insbesondere Dissoziationsgleichgewichte der Kohlensäure und Löslichkeitsprodukte - zu Grunde. Der sich einstellende pH-Wert im eingedickten Kühlwasser kann jedoch nicht gemessen werden. Zur Berechnung benötigt man die Kohlensäurekonzentration. Sie ergibt sich aus der Gleichgewichtseinstellung bei Kühlturmwannentemperatur TKT mit dem atmosphärischen CO₂-Partialdruck (z.Zt. 0,35 ⁰/_oo). Außerdem wird der Gleichgewichts-pH-Wert (fiktiver pH-Wert, für die sich das Umlaufwasser im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet) für Kühlwassertemperatur im Kühlturm und Wandtemperatur TW berechnet. Die Differenz ergibt die Sättigungsindices. Der Sättigungsindex bei Wandtemperatur SIW ist ein eindickungsbegrenzender Parameter.

2.1 Kühlturmkreislauf Eingabemaske

Eingabe der Aufbereitungsart

• nur Threshold-Stabilisierung (mit Korrosionsschutz)
  
• Enthärtung (mit Threshold-Stabilisierung und Korrosionsschutz)
  
• Entcarbonisierung (mit Threshold-Stabilisierung und Korrosionsschutz)
  
• Umkehrosmose nach Enthärtung (mit Verschneidung, Threshold-Stabilisierung und Korrosionsschutz)
  
• Umkehrosmose ohne Enthärtung (mit Verschneidung, Threshold-Stabilisierung und Korrosionsschutz)
  
• Schwefelsäuredosierung (mit Threshold-Stabilisierung und Korrosionsschutz)

Eingabe der Richt- und Grenzwerte

• maximal zulässiger SI:
  Ohne Konditionierung besteht die Tendenz zur Bildung von Calciumcarbonatablagerung bei einem SI > 0. Durch die Dosierung von Threshold-Inhibitoren lassen sich SI-Werte > 0 stabilisieren. Geeignete Kombinationen von Threshold-Inhibitoren ermöglichen die Stabilisierung von SI-Werten um 3,0 unter Laborbedingungen. Im kontinuierlichen Kühlturmbetrieb werden jedoch ständig Schmutzpartikel eingetragen, die als Kristallisationskeime wirken, so dass SI - Werte > 2,5 kritisch sind. Darüber hinaus stören geringe Konzentrationen von Eisenionen. Die Empfehlung von SImax = 2,3 berücksichtigt eine zusätzliche Sicherheit für wechselnde Betriebsbedingungen mit Schwankungen der Rohwasserqualität.
  
  
• maximal zulässiger Chloridgehalt:
  Salze im allgemeinen, da sie die elektrolytische Leitfähigkeit verursachen (Vorraussetzung dafür, dass Korrosionsvorgänge überhaupt ablaufen), sowie Chloridionen insbesondere, da sie Deckschichten angreifen, begünstigen die Werkstoffkorrosion. Je höher der Chloridionengehalt, desto größer die Korrosivität; es gibt daher keinen Grenzwert im eigentlichen Sinne, sondern Anforderungen an die Wasserqualität in Hinsicht auf die Beständigkeit von Werkstoffen. Der von uns empfohlene Richtwert von max. 250 mg/l bezieht sich auf Normalstahl und übliche Mischinstallation und ist der Wert, bei dem mit guten Konditionierungsmaßnahmen und üblichen Betriebsbedingungen die Stahlkorrosion sicher unter 0,05 mm/a begrenzt werden kann.
  
  
• maximal zulässiger Sulfatgehalt:
  Korrosionsverhalten wie bei Chlorid mit Empfehlung von max. 400 mg/l; außerdem gilt bei Indirekteinleitung ein Grenzwert, im allgemeinen von 400 mg/l (Ausnahme: 600 mg/l) wegen der Betonaggressivität.
  
  
• E = 5
  Begrenzung des Eindickungsfaktors ohne Korrekturmöglichkeit; höhere Eindickungen sind wirtschaftlich nicht sinnvoll; es überwiegen die Nachteile durch zu hohen Verschmutzungsgrad und zu lange Verweilzeiten)
  

Eingabe der Betriebstemperaturen

• Kühlturmtemperatur TKT
  Gemeint ist die Kühlwassertemperatur in der Kühlturmwanne. Sie bestimmt den Gehalt an freier gelöster Kohlensäure im Kühlwasser, da sich gemäß dem Henry´schen Gesetz dort ein Gleichgewicht mit dem atmosphärischen CO₂ –Partialdruck einstellt. Der Kohlensäuregehalt wirkt sich direkt auf die Konzentrationen aller Kohlensäureformen, pH-Wert und SI aus.
  
  
• Wandtemperatur TW
  Gemeint ist die höchste Wandtemperatur sekundärseitig innerhalb dieses Kühlsystems, da dort die Ablagerungstendenz von Calciumcarbonat am größten ist. Der eingegebene SI-Grenzwert wird auf diese Temperatur bezogen. Näherungsweise Abschätzung: Mittelwert aus primärseitiger und sekundärseitiger Temperatur. Bei Ölkühlern und Wasserdampf: siehe Beispiele WAT-Wasserhandbuch.
  

Kostenrechnung

• Durch Mausklick besteht die Wahlmöglichkeit, eine Betriebskostenrechnung erfolgen zu lassen.

2.1.1. Threshold-Stabilisierung

• Ausgehend von der Rohwasseranalyse (E=1) wird in einer Schleife der Eindickungsfaktor E um 0,01 angehoben, die gelösten Salze gemäß Analyse mit E multipliziert und alle Berechnungen erneut durchgeführt. Die Schleife wird so oft durchlaufen, bis einer der eindickungsbegrenzenden Parameter SIW_max , Cl^-_max , SO₄^{- -} _max oder E = 5 erreicht ist. Dann liegt der Eindickungsfaktor E fest.
  
  
• Anmerkung: Im Umlaufwasser werden oftmals etwas geringere pH-Werte im Kühlwasser gemessen, als berechnet. Die Ursache hierfür ist darin begründet, dass, meist diskontinuierlich, die Zugabe von Speisewasser mit höherem Kohlensäuregehalt den Kohlensäuregehalt im Umlaufwasser bis zur Verrieselung anhebt. Da die Einspeisung im allgemeinen nicht kontinuierlich erfolgt, muss aber die Verrieselung bis zur Gleichgewichtseinstellung berücksichtigt werden.

2.1.2. Enthärtung und Threshold-Stabilisierung

• Verschneidung
  Speisewasser ist Verschnittwasser mit 0,5 mmol/l Calciumgehalt (2,8 °dH); daraus errechnet sich der Verschneidungsgrad. Bei sehr weichen Rohwässern mit geringerer Härte erfolgt ein Hinweis, dass eine Enthärtung unsinnig ist. Der ausgetauschte Anteil an Calcium- und Magnesiumionen wird durch Natriumionen ersetzt. Achtung: Speisewasserleitung sollte möglichst korrosionsbeständig sein. Eindickungsbegrenzende Faktoren und Berechnung erfolgt dann, wie bei 2.1.1 Threshold-Stabilisierung.

2.1.3. Entkarbonisierung und Threshold-Stabilisierung

• Verschneidung
  SIW ist niemals eindickungsbegrenzend, sondern stets nur Cl_max, SO_{4 max} oder E=5. Berechnung von E, wie bei Threshold-Stabilisierung, jedoch wird der Verschneidungsgrad von vollständig entkarbonisiertem Wasser mit Rohwasser durch iterative Näherung an den vorgegeben SI berechnet. Achtung: Speisewasserleitung sollte möglichst korrosionsbeständig sein. Für SI_max dürfen auch kleinere Werte (z.B. 1,5) eingegeben werden, jedoch sollte eine Mindestalkalität im Umlaufwasser von 3 mmol/l KS_4,3 aufgrund erhöhter Werkstoffkorrosion nicht unterschritten werden.

2.1.4. Entsalzung über Umkehrosmose mit Enthärtung und Threshold-Stabilisierung

• Verschneidung
  Entsalzt wird mittels Umkehrosmose. Für den Eindickungsfaktor gilt stets E = 5. Der Verschneidungsgrad von entsalztem Wasser mit Rohwasser wird durch iterative Näherung an den vorgegeben SI berechnet. Achtung: Speisewasserleitung sollte möglichst korrosionsbeständig sein. Für SI, sowie max. zulässiger Chlorid- oder Sulfatgehalte dürfen auch kleinere Werte vorgegeben werden. Bei gleicher Rohwasseranalyse und gleichen Randbedingungen errechnet sich folglich auch die gleiche Umlaufwasserqualität, wie unter 1.2.1 Threshold-Stabilisierung.
  

2.1.5. Entsalzung über Umkehrosmose ohne Enthärtung und Threshold-Stabilisierung

• Verschneidung
  Die Entsalzung mittels Umkehrosmose kann mit enthärtetem Wasser als Speisewasser oder auch mit Rohwasser und Threshold-Stabilisierung in der RO-Anlage erfolgen. Die Wahl zwischen beiden Verfahren wirkt sich auf die Betriebs- und Investitionskosten aus, nicht aber auf die Umlaufwasserqualität.
  
  
• Eingabe von SI_max
  Im Konzentrat der RO-Anlage darf ein maximal zulässiger SI nicht überschritten werden. Bei Aufbereitung gemäß.. 2.1.5. ist daher die Eingabe als Grenzwert erforderlich; Empfehlung: SI_max = 2,0.

2.1.6. Schwefelsäuredosierung und Threshold-Stabilisierung

• Dieses auch als "Innere Entkarbonisierung" bezeichnete Verfahren wird gelegentlich noch praktiziert, obwohl die damit verbundene Erhöhung der Salzfracht zwangsläufig zu erhöhter Korrosivität führt. Bei Begrenzung des Sulfatwertes auf 400 mg/l (Einleitbedingungen beachten!) ist dieses Verfahren meistens nicht wirtschaftlich. Darüber hinaus birgt es ein erhebliches Risiko für die Betriebssicherheit auf Grund der Gefahr der Überdosierung. Bei pH-Wert-Regelung muss diese sehr genau erfolgen. Eine Mindestalkalität von 3 mmol/l im Umlaufwasser ist dringend zu empfehlen. Eindickungsbegrenzend sind Cl_max, SO_{4 max} oder E=5, aber niemals SIW. Die Alkalität im Umlaufwasser wird auf 4 mmol/l berechnet.

2.2. Korrektur der el. Leitfähigkeit

• Nach jeder Berechnung der Umlaufwasserqualität bei maximaler Eindickung wird die elektrolytische Leitfähigkeit für sämtliche Aufbereitungsarten neu berechnet. Das ist erforderlich, da die zulässige Eindickung über einen einzustellenden Grenzwert geregelt wird und die Leitfähigkeit nur bei geringem Salzgehalt annährend proportional ist. Zunächst wird erneut die Korrektur nach Debye-Hückel-Onsager durchgeführt. Anschließend werden teilweise undissoziierte Anteile von Calciumsulfat und Calciumcarbonat entsprechend ihrer Komplexbildungskonstanten berücksichtigt. Die unvollständige Dissoziation anderer Salze ist von untergeordneter Bedeutung und wird nicht berücksichtigt.

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