1. Zusammenfassung

Bei der Klimaanlage Mopefin 1 wurden immer wieder Störungen gemeldet. Am Dampflufterhitzter wurden starke Schichtungen festgestellt. Die Schichtungen führten zu falschen Messwerten, zu Grenzwertverletzungen und zu Anlagenstörungen.

Eine erste Überprüfung der Kondensatleitung ergab, dass der Kondensatabfluss gewährleistet ist und somit in diesem Anlagenteil alles in Ordnung ist.

Als weitere Massnahmen wurden vorgeschlagen:

Verminderung der Schichtungen nach dem Vorwärmer
Einbau eines Lamellenkühlers mit dem Medium Kaltwasser

Für die Verminderung der Schichtungen gab es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten. Gewählt wurde der Einbau von zwei Drallelementen. Als Erfolgskontrolle wurden Messungen durchgeführt.

In diesem Papier sind der Einbau der Drallelemente sowie die Messungen und die Auswertungen der Messungen dokumentiert.

In den Leerteil zwischen Vorwärmer und Luftwäscher wurden zwei neue Elemente eingebaut:

Lochblech mit Drallelementen
Lochblech

Damit die Temperaturschichtungen erfasst werden konnten, wurden Temperaturmessungen über den ganzen Querschnitt gemacht. Die Messsonden und deren Anordnung sowie einige repräsentative Messungen, deren Resultate und die Auswertungen sind in diesem Papier aufgelistet, dargestellt und dokumentiert

Wie die Messungen gezeigt haben, konnten die Schichtungen verringert werden (siehe Bilder 1.1 und 1.2). Diese Verringerung führte zur Lösung der Probleme der Anlage. Die Schichtungen wurden jedoch nicht vollständig eliminiert.

Abbildung 1.1: Schematische Darstellung der Temperaturverteilung nach dem Lufterhitzer

Abbildung 1.2: Schematische Darstellung der Temperaturverteilung nach dem Lochblech

Das Ziel, die Anzahl der Störungen zu verringern wurde jedoch erreicht, der Erfolg der Massnahme "Einbau Drallelement" konnte mit den Messungen nachgewiesen werden.

2. Ausgangslage

Bei der Klimaanlage Mopefin 1 wurden immer wieder folgende Störungen gemeldet:

Temperatur Vorwärmer (T04) zu hoch
Regelabweichung Luftwäscher zu gross (Feuchtewert)
Regelabweichung Nachwärmer zu gross (Temperatur nach Luftwäscher)

Am Dampflufterhitzter wurden starke Schichtungen festgestellt. Die Schichtungen führten dazu, dass der Enthalpiefühler X04 falsche Werte erfasste. Dies bewirkte, dass gleichzeitig gekühlt und geheizt wurde. Durch die starke Oberflächentemperatur des Vorwärmers, mit entsprechender Abstrahlung, erfasste der Temperaturfühler T04 (Thermoelement PT100) zu hohe Werte, was zu Grenzwertverletzungen und Anlagenstörungen führte.

Auf die Leistungsgrenzen des Luftwäschers beim Betrieb als Kühlwäscher mit Brauchwasser wurde bereits hingewiesen [1].

Abbildung 2.1: Ansicht auf Monoblock mit Vorwärmer, Leerteil, Fühler und einem Teil des Luftwäschers

3. Massnahmen

3.1 Ausgeführte und vorgeschlagene Massnahmen

Eine erste Überprüfung der Kondensatleitung ergab, dass der Kondensatabfluss gewährleistet ist und somit in diesem Anlagenteil alles in Ordnung ist.

Als weitere Massnahmen wurden vorgeschlagen:

Verminderung der Schichtungen nach dem Vorwärmer
Einbau eines Lamellenkühlers mit dem Medium Kaltwasser

3.2 Verminderung der Temperaturschichtungen nach dem Vorwärmer

Für die Verminderung der Schichtungen gab es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten. Gewählt wurde der Einbau von zwei Drallelementen. Als Erfolgskontrolle wurden Messungen durchgeführt.

In diesem Papier sind der Einbau der Drallelemente sowie die Messungen und die Auswertungen der Messungen dokumentiert.

4. Einbauten zur Verminderung der Temperaturschichtungen

In den Leerteil zwischen Vorwärmer und Luftwäscher wurden zwei neue Elemente eingebaut:

Lochblech mit Drallelementen
Lochblech

Abbildung 4.1: Lochblech mit Drallelementen

Abbildung 4.2: Lochblech

Das Lochblech mit den Drallelementen wurde unmittelbar nach der Frostschutzschublade eingebaut. Das Lochblech vor dem Eintritt zum Luftwäscher. Die genauen Masse sind im Anhang aufgezeichnet.

Abbildung 4.3: Ansicht auf Monoblock mit demontierten Seitenteilen

Abbildung 4.4: Lochblech mit Drallelementen(mit Fühlern für die temporäre Messung)

Abbildung 4.5: Lochblech (mit Messfühlern für die temporäre Messung der Temperaturschichtung)

5. Messung der Temperaturschichtungen

Damit die Temperaturschichtungen erfasst werden konnten, wurden Temperaturmessungen über den ganzen Querschnitt gemacht. Die Messsonden und deren Anordnung sind auf dem Bild 4.5 gut und auf den Bild 4.4 teilweise zu erkennen.

Als Messinstrument diente ein Datenlogger der Firma Hewlett Packard Typ 3497 mit zwei Eingangskarten zu je 20 Messpunkten. Je ein Messpunkt war der Eispunkt. 19 Messpunkte konnten über den ganzen Querschnitt gleichmässig verteilt werden. In der Tabelle 5.1 ist die Verteilung und die Nummerierungen der Messpunkte schematisch dargestellt.

Messort	1	2	3	A	4	5	6
	7	8	9	19	10	11	12
	13	14	15	B	16	17	18

Tabelle 5 . 1 : Nummerierung der Messpunkte

Bei den Punkten A und B wurden keine Temperaturen gemessen. In den Tabellen der Auswertungen sind für die graphische Darstellung jedoch Werte eingetragen. Es handelt sich um einen arithmetischen Mittelwert. Für den Punkt A zwischen den Werten 3 und 4, für Punkt B zwischen den Werten 15 und 16.

Die Lage der Messorte ist im Bild 5.1 gut zu erkennen.

Abbildung 5.1: Anlage während den Messungen

Vor Durchführung der Messreihen, zeigte sich, dass das Dampfventil undicht war. Aus diesem Grund ist die Stellung des Absperrorganes bei einigen Messungen auch aufgeführt.

Nachfolgend sind einige repräsentative Messungen, deren Resultate und die Auswertungen aufgelistet und dargestellt.

5.1 vor Einbau, Ventil und Absperrorgan geschlossen

Beschreibung der Situation:

Stellbefehl auf Ventil 0 %

Stellbefehl Ventilatordrehzahl 36 %

Drallelement nicht eingebaut

Bemerkung Hand - Absperrorgan geschlossen
Als Referenzmessung ohne Zufuhr von Wärme.

nach Lufterhitzer	28.658	28.707	28.854	28.915	28.976	28.927	28.878
	28.56	28.584	28.805	28.902	29.025	28.951	28.829
	28.584	28.535	28.535	28.5965	28.658	28.854	28.829
höchste Temp.	29.025
tiefste Temp.	28.535
Differenz	0.49
Durchschnitt	28.770

nach Lochblech	28.486	28.462	28.658	28.7435	28.829	28.78	28.707
	28.462	28.486	28.609	28.682	28.854	28.878	28.756
	28.437	28.486	28.511	28.5965	28.682	28.756	28.731
höchste Temp.	28.878
tiefste Temp.	28.437
Differenz	0.441
Durchschnitt	28.647

Im Prinzip müssten alle Temperaturwerte die gleichen sein, im ganzen Querschnitt und auch an den beiden Messorten (nach Lufterhitzer und nach Lochblech). Die Temperaturunterschiede sind jedoch nicht gross (ca. 0.1 bis 0.4 °C).

Die Abweichungen sind vermutlich Ungenauigkeiten der Fühler, der Messanordnung und der Geräte oder noch irgend eine Restwärme oder Aufheizung im System.

Wie sieht es nun aus, wenn Dampf in den Lufterhitzer gegeben wird?

5.2 vor Einbau, Ventil 30 % geöffnet

Beschreibung der Situation:

Stellbefehl auf Ventil 30 %

Stellbefehl Ventilatordrehzahl 36 %

Drallelement nicht eingebaut

Bemerkung Bei etwa 30 % waren die Schichtungen am Lufterhitzer am grössten.

nach Lufterhitzer	48.808	51.08	51.152	52.7335	54.315	52.794	54.17
	38.874	31.152	29.808	30.003	32.91	39.433	40.161
	39.311	30.199	29.686	29.649	29.612	29.857	30.003
höchste Temp.	54.315
tiefste Temp.	29.612
Differenz	24.703
Durchschnitt	39.320

Die Schichtung ist bei der Messung gut zu erkennen. Im oberen Teil des Lufterhitzers ist es ca. 10 bis 20°C wärmer als im unteren Teil. Die höchste Temperatur ist im rechten oberen Bereich.

nach Lochblech	41.496	34.154	35.956	41.8865	47.817	50.596	50.21
	38.461	32.666	29.465	30.468	32.934	35.006	38.169
	35.347	31.055	29.147	29.245	29.343	29.686	31.543
höchste Temp.	50.596
tiefste Temp.	29.147
Differenz	21.449
Durchschnitt	35.936

Auch nach dem Lochblech, also nach fast einem Meter Distanz im Lüftungsgerät, ist die Schichtung immer noch erhalten. Auch hier sind die höchsten Werte im rechten oberen Bereich.

Was verändert sich, wenn das Ventil mehr geöffnet wird?

5.3 vor Einbau, Ventil 70 % geöffnet

Beschreibung der Situation:

Stellbefehl auf Ventil 70 %

Stellbefehl Ventilatordrehzahl 36 %

Drallelement nicht eingebaut

Bemerkung -

nach Lufterhitzer	52.142	53.374	52.456	53.5425	54.629	52.819	53.953
	45.179	45.324	49.896	50.935	53.446	53.76	52.142
	43.629	40.525	39.821	42.391	44.961	43.58	40.938
höchste Temp.	54.629
tiefste Temp.	39.821
Differenz	14.808
Durchschnitt	48.545

Die Schichtung nach dem Lufterhitzer ist nicht mehr so ausgeprägt. Der Unterschied zwischen der höchsten und der tiefsten Temperatur beträgt ca. 15°C.

nach Lochblech	48.445	49.146	52.287	53.603	54.919	54.05	53.639
	45.034	43.411	47.647	49.243	52.722	52.36	51.732
	42.296	42.053	41.811	44.4995	47.188	47.792	48.639
höchste Temp.	54.919
tiefste Temp.	41.811
Differenz	13.108
Durchschnitt	48.691

Dieses Bild ist ziemlich ähnlich wie das nach dem Lufterhitzer, jedoch etwas flacher. Immer noch ist der Bereich mit den höchsten Temperaturen oben rechts.

Die Schichtung nach dem Lufterhitzer und nach dem Lochblech ist ähnlich.

Nun interessiert, ob der Einbau der Drallelemente an der Schichtung etwas verändert!

5.4 nach Einbau, Ventil 30 % geöffnet

Beschreibung der Situation:

Stellbefehl auf Ventil 30 %

Stellbefehl Ventilatordrehzahl 36 %

Drallelement eingebaut

Bemerkung -

nach Lufterhitzer	48.47	49.92	51.418	52.553	53.688	50.717	53.977
	32.91	28.584	27.8	28.119	30.59	35.396	37.78
	30.615	27.727	27.286	27.641	27.996	27.874	28.951
höchste Temp.	53.977
tiefste Temp.	27.286
Differenz	26.691
Durchschnitt	37.143

Die Durchschnittstemperatur, die höchste und die tiefste und auch alle Zwischenwerte sind bis auf ca. 2-3°C fast identisch mit den Werten in Kapitel 5.2.

nach Lochblech	37.999	38.85	40.986	37.777	34.568	31.372	30.028
	38.048	38.777	35.25	30.492	30.932	30.688	29.319
	37.099	36.953	33.276	31.603	29.93	29.71	28.976
höchste Temp.	40.986
tiefste Temp.	28.976
Differenz	12.01
Durchschnitt	33.935

Die Verwirbelung mit dem Drallelement hat zu einer Vermischung der Luftströme geführt, so dass die Schichtungen stark abgenommen haben.

Das ist erfreulich. Bei den Messungen ging es ja darum, zu überprüfen, ob die Massnahme das bewirkt was sie soll.

Es interessierte nun, wie sich die Anlage mit mehr Luftmenge verhält. Da die Messungen am Messort "nach dem Lufterhitzer" vor und nach dem Einbau etwa identisch sind, wurden keine Messungen mit "hoher Luftmenge" und "ohne Drallelemente" gemacht.

5.5 nach Einbau, Ventil 30 % geöffnet, Drehzahl 100 %

Beschreibung der Situation:

Stellbefehl auf Ventil 30 %

Stellbefehl Ventilatordrehzahl 100 %

Drallelement eingebaut

Bemerkung -

nach Lufterhitzer	33.764	34.202	35.396	38.543	41.69	41.496	43.023
	28.486	28.192	27.972	27.923	27.923	29.098	29.979
	28.56	27.947	27.776	27.4695	27.163	27.555	28.78
höchste Temp.	43.023
tiefste Temp.	27.163
Differenz	15.86
Durchschnitt	31.568

Bei grösserer Luftmenge wird dem Lufterhitzer mehr Wärme entzogen. So sind die Höchstwerte nicht mehr so gross.

nach Lochblech	31.006	31.519	32.398	31.4085	30.419	28.756	28.217
	30.712	31.397	29.759	28.241	28.56	28.315	27.702
	30.199	30.615	29.074	28.523	27.972	27.923	27.653
höchste Temp.	32.398
tiefste Temp.	27.653
Differenz	4.745
Durchschnitt	29.541

Auch bei 100 % Luftmenge nimmt die Schichtung durch die Wirkung der Drallelemente klar ab. Temperaturdifferenz von 15.8°C auf 4.7 °C.

Auch bei diesen Messreihen hat sich der Höchstwert vom Messpunkt 6 (43°C) zum Messpunkt 3 (32°C) verschoben.

6. Messungen der Luftmengen und der Druckverluste

Die Messung der Luftmengen und der Druckverluste ergab folgende Resultate:

6.1 Luftmengen

Luftmenge bei 36 % Drehzahl ca. 2'350 m³/h

Luftmenge bei 100 % Drehzahl ca. 6'700 m³/h

6.2 Druckverluste

Druckverlust bei	36 % Drehzahl	100 % Drehzahl

Drallelement (Radialauslass in Lochblech eingebaut)	10 Pa	80 Pa
Lochblech	6 Pa	40 Pa
Drallelement und Lochblech	16 Pa	100 Pa

Tabelle 6 . 1 : Auflistung der Druckverluste

Die Messung wurde mit einem Differenzdruckmanometer Dwyer durchgeführt.

7. Zusammenfassung der Messungen und Erkenntnisse

7.1 Zusammenfassung

Die Messungen zeigen klar, dass die Schichtungen durch den Einbau der Elemente geringer wurden. Ganz konnten die Schichtungen jedoch nicht eliminiert werden.

	5.2 vor Einbau, Ventil 30 % geöffnet, Drehzahl 36 %		5.3 vor Einbau, Ventil 70 % geöffnet, Drehzahl 36 %
	nach Lufterhitzer	nach Lochblech	nach Lufterhitzer	nach Lochblech
höchste Temp.	54.315	50.596	54.629	54.919
tiefste Temp.	29.612	29.147	39.821	41.811
Differenz	24.703	21.449	14.808	13.108
Durchschnitt	39.320	35.936	48.545	48.691

Unterschied der Differenz		3.254		1.700

	5.4 nach Einbau, Ventil 30 % geöffnet, Drehzahl 36 %		nach Einbau, Ventil 70 % geöffnet, Drehzahl 36 %
	nach Lufterhitzer	nach Lochblech	nach Lufterhitzer	nach Lochblech
höchste Temp.	53.977	40.986
tiefste Temp.	27.286	28.976	keine	Messungen
Differenz	26.691	12.01
Durchschnitt	37.143	33.935

Unterschied der Differenz		14.681		-

	5.5 nach Einbau, Ventil 30 % geöffnet, Drehzahl 100 %
	nach Lufterhitzer	nach Lochblech
höchste Temp.	43.023	32.398
tiefste Temp.	27.163	27.653
Differenz	15.860	4.745
Durchschnitt	31.568	29.541

Unterschied der Differenz		11.115

Im praktischen Betrieb der Anlage zeigt sich folgendes Bild:

Die Störungen traten nicht mehr auf. Einzig die Leistungsgrenze des Kühlwäschers Ende Sommer ist noch vorhanden. Dies kann jedoch im Moment mit Sollwertanpassungen aufgefangen werden.

Durch das Versetzten des Temperatur- und Enthalpiefühlers (vorher "nach dem Lufterhitzer", jetzt "nach dem Lochblech" also vor dem Luftwäscher) wurde das System ebenfalls positiv beeinflusst.

Das Ziel, die Anzahl der Störungen zu verringern wurde erreicht, der Erfolg der Massnahme "Einbau Drallelement" konnte mit den Messungen nachgewiesen werden.

Abbildung 7.1: Ansicht auf Monoblock mit Darstellung der Versetzung der Fühler

8. Anhang

8.1 Zeichnungen, Skizzen der ausgeführten Variante

Abbildung 8.1: Ansicht und Grundriss der realisierten Einbauten (hier nicht massstäblich)

Abbildung 8.2: Schnitt der realisierten Einbauten (hier nicht massstäblich)

8.2 Bilddokumentation


Abbildung 8.3: Detail Lochblech mit Rahmen (Eckbereich)	Abbildung 8.4: Detail Lochblech

Abbildung 8 . 5 : Detail Lochblech mit Rahmen (Verstärkungssteg in Mitte)

Abbildung 8.6: In Lochblech eingebauter Radialauslass

Abbildung 8.7: Halterung für Drallelement und Lochblech vor dem Einbau

Abbildung 8.8: Halterung für Lochblech (eingebaut)

Abbildung 8.9: Ansicht auf Dampf- Lufterhitzer. Der Erhitzer ist oben und unten (bei den Sammelrohren) abgedeckt.

Abbildung 8.10: Ansicht auf das Lochblech von der Anströmseite her

Abbildung 8.11: Lochblech herausgezogen, mit den befestigen Temperaturfühlern für die temporäre Messung

Abbildung 8.12: Die Temperaturfühler wurden provisorisch am Lochblech mit Draht befestigt.

Abbildung 8.13: Othmar Steinmann bei der Montage der Halterung für die Drallelemente

8.3 Verzeichnisse

Tabellenverzeichnis

Tabelle 5.1: Nummerierung der Messpunkte

Tabelle 6.1: Auflistung der Druckverluste

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Schematische Darstellung der Temperaturverteilung nach dem Lufterhitzer

Abbildung 1.2: Schematische Darstellung der Temperaturverteilung nach dem Lochblech

Abbildung 2.1: Ansicht auf Monoblock mit Vorwärmer, Leerteil, Fühler und einem Teil des Luftwäschers

Abbildung 4.1: Lochblech mit Drallelementen

Abbildung 4.2: Lochblech

Abbildung 4.3: Ansicht auf Monoblock mit demontierten Seitenteilen

Abbildung 4.4: Lochblech mit Drallelementen(mit Fühlern für die temporäre Messung)

Abbildung 4.5: Lochblech (mit Messfühlern für die temporäre Messung der Temperaturschichtung)

Abbildung 5.1: Anlage während den Messungen

Abbildung 7.1: Ansicht auf Monoblock mit Darstellung der Versetzung der Fühler

Abbildung 8.1: Ansicht und Grundriss der realisierten Einbauten (hier nicht massstäblich)

Abbildung 8.2: Schnitt der realisierten Einbauten (hier nicht massstäblich)

Abbildung 8.3: Detail Lochblech mit Rahmen (Eckbereich)

Abbildung 8.4: Detail Lochblech

Abbildung 8.5: Detail Lochblech mit Rahmen (Verstärkungssteg in Mitte)

Abbildung 8.6: In Lochblech eingebauter Radialauslass

Abbildung 8.7: Halterung für Drallelement und Lochblech vor dem Einbau

Abbildung 8.8: Halterung für Lochblech (eingebaut)

Abbildung 8.9: Ansicht auf Dampf- Lufterhitzer. Der Erhitzer ist oben und unten (bei den Sammelrohren) abgedeckt

Abbildung 8.10: Ansicht auf das Lochblech von der Anströmseite her

Abbildung 8.11: Lochblech herausgezogen, mit den befestigen Temperaturfühlern für die temporäre Messung

Abbildung 8.12: Die Temperaturfühler wurden provisorisch am Lochblech mit Draht befestigt

Abbildung 8.13: Othmar Steinmann bei der Montage der Halterung für die Drallelemente

Literaturverzeichnis

[1] Dolder Markus: Analyse Betriebsverhalten Lüftwäscher Mopefin 1 im Hinblick auf Projektierung Mopefin 2, Version P1.0 vom 31.07.1998, Kapitel 6.1, Seite 8