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Physikalische Wasserbehandlung
(Prof. Dipl.-Ing. H. Schnell, Deutschland)
Bei der Auswahl von Wasserbehandlungsmaßnahmen besteht Unsicherheit über die zweckmäßige Anwendung physikalischer oder chemischer Verfahren, die zum gewünschten Erfolg führen, wirtschaftlich und gleichzeitig umweltverträglich sind. Besonders der Einsatz physikalischer Methoden gilt als umstritten, da nur selten ausreichende Informationen vorliegen.
Haushalte, Gewerbe und Industrie haben im Umgang mit Wasser das gleiche Problem: Hartes Wasser, welches den Waschmittelbedarf stark erhöht und Ablagerungen in den Rohrleitungen und wärmetechnischen Apparaten zurückläßt (Abb1). Diese thermischen Verschmutzungen, die volkswirtschaftliche Verluste in Milliardenhöhe verursachen, wurden vor wenigen Jahren noch als Phänomen beurteilt, obwohl es sich in Wirklichkeit um physikalisch-chemische Vorgänge handelt, wenn auch ungewollt [1].
Zur Minimierung der Auswirkungen kommen physikalische und chemische Verfahren zur Anwendung, deren Wirksamkeit aber von der Kenntnis der Ursachen abhängig ist.
Auf unserem Planeten Erde bedeutet Wasser das tägliche Leben.
Seine Vorkommen sind:
Die Nutzungsformen des Wassers - Trinkwasser, Brauchwasser (Prozeß-, Heiz- und Kühlwasser), Abwasser - entsprechen seinen Stoffeigenschaften, z.B.
(0 °C <
J W < 100 °C),Verschiedene Wasserbegleiter verbessern die Trinkwasserqualität, z.B. Calcium, Magnesium, verursachen aber technische Probleme als Härtebildner.
Tabelle 1: Methoden der Wasserbehandlung (Übersicht)
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Chemische Verfahren: |
Physikalische Verfahren: |
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Vorbehandlung |
|
|
Methoden zur Klärung: Koagulierung, Flockung, Sedimentation zur Beseitgung von Schweb- und Trübstoffen (Einsatz chemischer Reaktionsmittel) |
Filtration des Rohwassers, vorwiegend Sand als Filtermedium, in Druck- und Schwerkraftfiltern (Rückspülung der Filter erforderlich). |
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Hauptbehandlung |
|
|
Enthärtungsmethoden: Kalkmilch-/ Soda-Prinzip, Kationenaustausch (Vollenthärtung), Säuredosierung (Teilenthärtung). Entsalzungmethode: Kationen- und Anionenaustausch (z.Zt. wirkungsvollste und wirtschaftlichste Methode). Härtestabilisierung: Inhibitoreneinsatz, auch als Dispergier- und Korrosionsschutzmittel. |
Umkehrosmose zur Entsalzung mittels Membranen. Methoden zur Reduzierung der Oberflächen-spannung des Wassers und Verbesserung der Ionenaktivität, Umwandlung der Kristallstrukturen von Härtausfallprodukten: - Magnetfeld-Methode mittels Elektro- oder Dauermagneten, - elektrostatische Methode durch Einsatz von Aktivanoden. |
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Nachbehandlung |
|
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Säure- und Laugenreinigung verschmutzter thermischer Systeme einschl. Neutralisierung der Waschmittel. |
Automatische Reinigung von Rohrbündel- Wärmeaustauschern durch Schwammgummi-kugeln oder Kunststoffbürsten ohne Betriebsunterbrechung. |
In Tabelle 1 werden Methoden der Wasserbehandlung vorgestellt, die sich in folgende Verfahren unterteilen:
(Enthärtung bzw. Entsalzung).
Beide Verfahren arbeiten effektiv unter konstanten Strömungsbedingungen und verlieren an Wirksamkeit bei intermittierendem Betrieb. Ihre wichtigsten Einflußgrößen sind:
Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Verschmutzung thermischer Apparate und dem Korrosionsverhalten ihrer Werkstoffe. Deshalb sind die Kriterien einer erfolgreichen Wasserbehandlung:
Die Wasserbehandlung kennt keine allgemein gültige Lösung. Hierzu ist die Wasserbeschaffenheit zu unterschiedlich. Außerdem sind die Anforderungen der Anwendungsbereiche sehr vielfältig.
Die Grundlage jeder Wasserbewertung ist ausschließlich die chemische Wasseranalyse.
Grundlagen der Wasserchemie
Die Wassermoleküle haben einen einheitlichen asymmetrischen Aufbau (Abb. 2). Sie sind auf der Wasserstoffseite positiv und auf der Sauerstoffseite negativ geladen, also dipolar. Wassermoleküle zeigen eine starke Anhäufung auf kleinstem Raum (Agglomerisation) und werden durch die Wasserstoff-bindung zusammengehalten. Diese ist so groß, daß kein Wassermolekül an der Oberfläche entweichen und verdampfen kann; hierzu bedarf es äußerer Energieformen.
Aufgrund seiner Molekularkräfte verfügt Wasser über eine große Oberflächenspannung. Wasser-moleküle, die in Kontakt mit Kristallen stehen, neutralisieren die Anziehungskräfte der Kristallstruktur und zwingen die Ionen in eine Hydrathülle, um so eine Wiedervereinigung und die erneute Kristallbildung zu verhindern. Dadurch erhält das Wasser eine hohe Dielektizitätskonstante und wird zum universellen Lösungsmittel. Wasser ist kaum ionisierungsfähig, besitzt daher keine elektrische Leitfähigkeit und verhält sich wie ein Isolator. Erst durch die Lösung ionisierender Stoffe im Wasser verbessert sich seine Leitfähigkeit und es wird zum Elektrolyten. Fremdenergieströme, z.B. Schwingungen, Wärme, elektrische und magnetische Felder, sind erfoderlich, um die Oberflächenspannung und Viskosität, d.h. die innere Reibung der Moleküle, des Wassers zu verändern (Abb. 3).
Die 2. Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente (1868/70: L. Meyer, D. Mendeljew) enthält die Erdalkalimetalle, z.B. Calcium, Magnesium usw., die in der Wasserchemie eine besondere Bedeutung besitzen.
Bei der Lösung von Mineralien in Wasser entstehen aus den Atomen, die das Mineral verlassen, neue Stoffe mit einheitlichen chemischen Eigenschaften und relativ kleinen Molmassen als Summe der Atommassen (
). In der Wasserchemie wird aber vorwiegend der Begriff
Die chemischen Verbindungen erzeugen Kationen (+) und Anionen (-) mit der Bedingung:
å Kationen
å Anionen.
(in Klammern: chem. Formel /
± Valenz)Allgemein erhöht sich die Lösungsfähigkeit der Mineralien mit steigender Wassertemperatur. Bemerkenswerte Ausnahmen sind die chemischen Verbindungen der Erdalkalimetalle, z.B. Calciumkarbonat CaCO3 (ugs. Kesselstein), Calciumsulfat CaSO4 (ugs. Gips), Magnesiumkarbonat MgCO3, Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 u.a. Infolge eines reziproken Lösungsverhaltens der Erdalkalimetalle verringert sich ihre Lösungsfähigkeit mit zunehmender Wassertemperatur.
Wasseranalyse
Die Nutzungsform des Wassers bestimmt Inhalt und Umfang der chemischen Wasseranalyse:
Wasserhärte
Die Summe der vorhandenen Erdalkalimetalle (Ca + Mg) wird als Gesamthärte GH definiert..
(mmol/l)
(°dH)
Die Karbonathärte entsprach früher der Ca-Härte und wird heute durch das Hydrogenkarbonat HCO3 ausgewiesen bzw. bei Störungen aus der Säurekapazität bei pH = 4,3 abgeleitet.
(mmol/l)
(°dH) (dH = deutsche Härte)
Tabelle 2:
Vergleich von Härteskalen|
Härte-einheiten |
1 mval/l |
deutsche 1 °dH |
französische 1 °fH |
englische 1 °eH |
amerikan. 1 ppm |
gesetzliche Einheit 1 mmol/l |
|
|
28 mg CaO oder 50 mg CaCO3 je 1 l H2O |
10 mg CaO je 1 l H2O |
10 mg CaCO3 je 1 l H2O |
1 grain CaCO3 per gallon
CaCO3 je 1 l H2O |
1 part per million
CaCO3 je 1 l H2O |
100 mg CaCO3 je 1 l H2O |
|
1 mval/l |
1 |
2,8 |
5 |
3,51 |
50 |
0,5 |
|
1 °dH |
0,357 |
1 |
1,786 |
1,25 |
17,86 |
0,1786 |
|
1 °fH |
0,2 |
0,5599 |
1 |
0,7 |
10 |
0,1 |
|
1 °eH |
0,285 |
0,7999 |
1,429 |
1 |
14,29 |
0,1429 |
|
1 ppm |
0,02 |
0,056 |
0,1 |
0,07 |
1 |
0,01 |
|
1 mmol/l |
2 |
5,6 |
10 |
7 |
100 |
1 |
Die internationale Härteskala (mmol/l) ist den nationalen Härteskalen vorzuziehen, vgl. Tabelle 2.
In natürlichem Wasser kann ein Verhältnis KH / GH
» 2/3 angenommen werden. Die Grundeinheit der Wasserbewertung ist somit1 mmol/l 100 mg/l CaCO3
und der Basiswert der elektrischen Leitfähigkeit
1
m S/cm1 mg/l CaCO3.
Das Verhältnis der Äquivalentmasse der Wasserinhaltsstoffe zu Calciumkarbonat CaCO3 (
=100 ; 
/ v = 50) führt zu einer einheitlichen Ermittlung des Inonenstroms und zur Kontrolle der Aussagefähigkeit einer chemischen Wasseranalyse.
Kristallaufbau
Die Ausfallprodukte des Wassers bilden amorphe oder kristalline Strukturen, wobei amorphe Strukturen ohne besondere Form entstehen, meist instabil bleiben und später ebenfalls in kristalline Stukturen umgewandelt werden. Kristalle sind von ebenen Flächen begrenzte homogene, anisotrope Körper. Die Kristallbausteine bestehen aus Atomen, Ionen oder Molekülen, die eine bestimmte Gitterstruktur bilden (Abb. 4).
Substanzen gleicher chemischer Zusammensetzung können in verschiedenen Kristallformen auftreten, z.B. Calciumkarbonat (CaCO3) als Calcit = trigonal, die stabilste Struktur und Aragonit = rhombisch, eine instabile Struktur. Jede Modifikation ist bei einem bestimmten thermischen Zustand (Druck und Temperatur) besonders stabil.
Die Kristallbausteine erleiden durch die Einwirkung elektrischer Kräfte, genannt Polarisation, eine Deformation. Dabei geht die polarisierende Wirkung von den Ionen aus, die selbst polarisiert werden.
Kationen sind weniger deformierbar als Anionen. Die Anzahl der angelagerten Anionen ist nicht von der Valenz sondern vom Wirkungsradius des Kations abhängig. Aufgrund unterschiedlich geladener Bausteine herrschen im Kristallgitter Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die innerhalb des Systems im Gleichgewicht sind. Die physikalischen Eigenschaften des Kristallgitters werden von den Bindungskräften bestimmt, die elektrische Leitfähigkeit ist im kristallinen Zustand allgemein gering. Die Gitterstabilität entspricht dem Polarisierungsgrad der Ionen, d.h. je stärker die Polarisierung, um so kleiner ist die Stabilität
[ 3] .Physikalische Mechanismen
Das Wasserverhalten wird durch verschiedene technisch- physikalische Vorgäng ausgelöst, z.B.
Unter den üblichen Bedingungen werden die Kristalle der Ausfallprodukte und andere Verschmutzungs-partikel, vgl. Tabelle 3,
Die Strömungsvorgänge werden von der Reynolds-Zahl Re beschrieben, die in vereinfachter Form lautet:
Laminare Strömung < Re
» 2300 < turbulente Strömung.|
|
|
|
Nach dem Stromfaden - Modell (Abb. 5) verlaufen die Stromfäden einer laminaren Strömung im gesamten Strömungsquerschnitt parallel, wobei die randnahe Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Wandreibung gegen Null geht und somit gute Möglichkeiten zur Ablagerung von Ausfallprodukten bietet. In einer turbulenten Strömung kreuzen sich die Stromfäden ständig und sorgen für eine gute Durchmischung des Wassers, so daß wenig Ablagerungsmöglichkeiten bestehen. Hierfür gelten folgende Richtwerte:
Korrosionsgefahr, insbesondere Lochfraß.
Von den beschriebenen Fremdenergieströmen zur Verbesserung der Ionenaktivivität erfüllen Magnetfelder vorteilhaft die genannten Verfahrenskriterien. Nach den physikalischen Gesetzmäßigkeiten üben Magnetfelder nur auf bewegte Ladungen Wirkkräfte aus, während elektrische Felder auch ruhende Ladungen beinflussen, vgl. Tabelle 4. Deshalb ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstromes ebenfalls von Bedeutung.
Die Ladungsträger im Wasserstrom werden von der Lorenz-Kraft FL abgelenkt.
FL = Q
× c × B (N)(Q = elektrische Ladung (As), c = Strömungsgeschwindigkeit (m/s), B = Induktion (Vs/m2) )
Vor dem Eintritt in das Magnetfeld bewegen sich Kationen und Anionen parallel im Wasserstrom und werden dann im Magnetfeld so abgelenkt, daß sie sich aufeinanderzu bewegen. Somit erfolgen Zusammenstöße zwischen den unterschiedlichen Ionen und die kurzfristige Bildung eines instabilen CaCO3 - Moleküls, welches sich bei unveränderten Gleichgewichtsbedingungen wieder zurückverwandelt. Nur durch Ausübung eines äußeren Zwanges und den Versuch des Systems, diesem auszuweichen, entstehen neue Gleichgewichtsformen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers bestimmt die Beweglichkeit der Ionen und die Aufprallenergie, somit die Häufigkeit der Zusammenstöße. Das Magnetfeld ist dabei nicht beteiligt.
Die entstandenen CaCO3 - Moleküle geringer Stabiliät (Aragonit) durchströmen als Kristallisationskeime ungeladen das Magnetfeld. Je größer die Keimzahl, um so feiner bildet sich ein amorpher Kristall-schlamm, der mit dem Wasserstrom ausgetragen wird, dabei aber auf der Rohrwand einen effektiven Korrosionsschutz erreicht. Dieser Film läßt sich mechanisch leicht beseitigen und führt nicht zur Verkrustung.
Tabelle 3: Verschmutzungsklassen
|
Einteilungskriterien: |
Ursachen und Auswirkungen: |
|
Sedimentations- verschmutzung |
Ausfall von Feststoffpartikeln aus den Feststoffen eines Wasserstroms. |
|
|
Ablagerung auf den Rohrleitungswänden ud in wärmetechnischen Systemen, Bildung von Verschmutzungsschichten. |
|
Kristallisations- verschmutzung |
Ausfall der Härtebildner aus dem Wasserstrom infolge des reziproken Lösungsverhaltens der Erdalkalimetalle. |
|
|
Verkrustung der Rohrwände durch große Schichtdicken mit dichtem Kristallgefüge, Leistungsverluste bei Wärmeübertragung. |
|
Chemische Reaktions- verschmutzung |
Selbstoxidation und Polymerisation der Kohlenwasserstoffe infolge von Sauerstoffeinbrüchen. |
|
|
Hartkrustenbildung (Verkokung) auf den Rohrwänden |
|
Korrosions- verschmutzung |
Chemischer oder elektrochemischer Angriff aggressiver Medien auf den Werkstoff. |
|
|
Entstehung verschiedener Korrosionsformen, z.B. Flächenabtrag, Lochfraß, interkristalline Korrosion usw. bis zur Werkstoffzerstörung. |
|
Biologisches Wachstum |
Mikroorganismen (Algen, Bakterien) und Makroorganismen (Muscheln, Pilze) erzeugen in Rohrleitungen und Wärmeaus-tauschern biologische Filme mit erheblichem Wärmewiderstand. |
|
|
Leistungsabfall durch verringerten Wärmestrom, Blockierung von Funktionsträgern innerhalb wärmetechnischer Systeme |
Diese Aufgaben übernehmen Geräte mit einem effektiven Permanentmagneten, welche ohne Fremdstrom arbeiten. Die Baureihen bestehen jeweils aus mehreren Bau- und Leistungsgrößen, geordnet nach den genormten Rohrdurchmessern, die sich mittels Gewinde- oder Flanschanschluß in jede Rohrleitung integrieren lassen. Der Permanentmagnet, abgestimmt auf den Bedarfsfall, wird gegen die Umwelt abgeschirmt. Der wasserseitige Druckverlust ist extrem gering. Die Geräte arbeiten wartungsfrei und ohne Folgekosten. Die Leistungsfähigkeit der Permanentmagnete bleibt - ohne äußere Störeinflüsse - praktisch unverändert
[ 5] .Tabelle 4. Magnetische Größen und Einheiten
[ 4]|
Größe: |
Symbol |
SI - Einheit |
frühere Einheit |
Beziehungen: |
|
Magnetische Induktion (magn. Flußdichte) |
B |
T |
G |
1 T 1 G |
|
Magnetische Feldstärke (Erregung) |
H |
A/m |
Oe |
1 Oe |
|
Magnetische Energie- dichte |
B × H |
J/m3 |
G × Oe |
1 G × Oe 79,6 J/m3 |
|
Magnetischer Fluß |
F |
Wb |
M |
1 Wb |
|
MagnetischePolarisation |
J |
Wb/m2 |
- |
1 Wb/m2 |
A = Ampere, G = Gauß, J = Joule, M = Maxwell, Oe = Oerstedt, T = Tesla, V = Volt, Wb = Weber
Kathodische Schutzverfahren kompensieren den Korrosionsstrom, der zum Metallabtrag an den anodischen Stellen der Rohrwand führt, durch einen Schutzstrom zum Aufbau des Schutzpotentials. Dabei müssen Richtung und Spannung des Gleichstroms so bemessen sein, daß der zu schützende Werkstoff während der gesamten Betriebsdauer als Kathode erhalten bleibt. Hierzu wird er mit einer Aktivanode (Opferanode) ohne Fremdstrom oder mit einer Hilfselektrode, die an dem positiven Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen ist, verbunden. Die hierfür erforderliche Stromdichte ist vom Salzgehalt (ca. 0,8 ... 1,0 mmol/l als CaCO3) bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers (ca. 600
m S/cm) abhängig.Durch die Bildung von Hydroxidionen auf den geschützten Wandflächen wird bei der genannten Mindestkonzentration an Calcium bzw. Hydrogenkarbonat (CaCO3) in der Kristallform des Aragonits (bei pH > 10 auch Mg(OH)2 ) ausgeschieden und auf der Rohrwand als Korrosionsschutzfilm angelagert. Dabei reduziert sich die Schutzstromdichte. Bei fehlender Strömung (c
® 0) werden neben den Ca- und Mg - Verbindungen auch Sulfate sowie Phosphate ausgefällt, die dann gemeinsam Inkrustierungen auf der Rohrwand erzeugen. Mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit erfolgt eine Beseitigung der Hydroxidionen und der Ausfallprodukte durch den Wasserstrom [ 6] .Als Aktivanoden werden Metall-Legierungen mit geringem Eigenpotential - z.B. Magnesium, Zink, Aluminium - verwendet. Tabelle 5 zeigt den Vorteil von Zn-Anoden gegenüber anderen Werkstoffen. Im natürlichen Wasser verhält sich Zink ähnlich wie Calcium, besitzt aber eine geringere Löslichkeit (Abb. 6), so daß es auch im Trinkwassserbereich anwendbar ist
[ 7] .Tabelle 5: Werkstoffverhalten von Aktivanoden
[ 6]|
Werkstoff: |
Magnesium |
Aluminium |
Zink |
|
Stoffdichte r (kg/m3) |
1740 |
2720 |
7400 |
|
Potential gegen Cu / CuSO4 - Halbzelle |
- 1,55 V |
- 1,05 V |
- 1,10 V |
|
Wasserstoffentwicklung |
stark |
mäßig |
keine |
|
Stromausbeute |
40 ... 50 % |
50 % |
90 ... 95 % |
|
effektiver Stromertrag (Ah/kg) |
1100 |
1600 |
760 |
|
effektiver Stromertrag (Ah/dm3) |
2000 |
4400 |
5400 |
Erfahrungsgemäß erreicht die thermische Verschmutzung nach einer bestimmten Betriebsdauer einen asymptotischen Verlauf, d.h. es besteht immer ein Gleichgewicht zwischen Verschmutzungszuwachs und -abtrag. Diese Strömungsmechnismen lassen sich wirkungsvoll durch automatische Reinigungsverfahren ohne Betriebsunterbrechung unterstützen. In den Rohrbündelwärmeaustauschern - in ähnlicher Form auch in Plattenwärmeaustauschern - kommen Schwammgummikugeln oder Kunststoffbürsten zum Einsatz, die beim Durchströmen der Wärmeübertragungselemente die Rohrwände mechanisch reinigen, so daß kein Verschmutzungswiderstand zum Leistungsabfall führt
[ 8; 9] .Die beschriebenen Methoden der physikalischen Wasserbehandlung sind vielfach erprobt, so daß von den Herstellern Gewährleistungsperioden bis zu 5 Jahren akzeptiert werden.
Anwendungsbereiche
Zunächst sind die Trinkwasser- und Brauchwasserbereiche gegeneinander abzugrenzen.
Die deutschen Wasserwerke liefern über die öffentlichen Versorgungsunternehmen - streng überwacht durch die Gesundheitsbehörden - eine gute Wasserqualität nach der Trinkwasserverordnung und den EU - Richtlinien. Die Härtewerte sind meist hoch, aber Calcium und Magnesium sind für die Ernähung lebensnotwendig, denn der Gehalt dieser Erdalkalimetalle soll > 1,5 mmol/l betragen. Deshalb sollte das Trinkwasser in den Haushalten nicht nachträglich manipuliert werden.
Industrielle Methoden der Wasserenthärtung, z.B. Ionenaustausch mit anschließendem Rohwasserverschnitt und einer erforderlichen Regenerierung mittels Kochsalz (NaCl) sind für Haushalte - trotz ständiger Empfehlung - aus hygienischen Gründen und wegen der Salzfracht im Abwasser nicht geeignet.
Hier liegt ein idealer Einsatzbereich für die Methoden der physikalischen Wasserbehandlung vor, da nach einer problemlosen Installation keine Zusatzkosten entstehen und die Wasserzusammensetzung unverändert bleibt. Aber die beschriebenenen Mechanismen Kalkablagerungen und Korrosionsvorgänge in den Rohrleitungen und Haushaltsmaschinen werden verhindert.
Der industrielle Brauchwasserbereich umfaßt Wasserkreisläufe für unterschiedlich Zwecke. Je nach Standort kommen Trinkwasser, Grund- und Oberflächenwasser gleichermaßen zur Verwendung.
Kühlwasserkreisläufe:
Die Wasserrückkühlung ist ein kombinierter Wärme- und Stoffübertragungsprozeß, wobei ca. 70 % des Abwärmestroms durch Verdunstung und nur ca. 30 % des Abwärmestroms durch Konvektion an die Umgebungsluft abgeführt wird. Die Rückkühlung erfolgt in Naßkühltürmen (offener Wasserkreislauf) oder in Hybridkühltürmen (ugs. Verdunstungskühler) mit zwei Wasserkreisläufen. Der Primärkreislauf ist geschlossen, so daß der innere Wasserstom qualitativ und quantitativ unverändert bleibt, seine Erstfüllung aber einer Wasserbehandlung bedarf. Der Sekundärkreislauf (Sprühwasserkreislauf), zur Abführung der Abwärme an die Umgebungsluft, unterliegt den gleichen Bedingungen wie ein Naßkühlturm
[ 10] .Der Verdunstungsprozeß verursacht einen geringen Wasserverlust (ca. 0,15...0,20 % des Wasserstroms je Kelvin Abkühlung). Außerdem erfolgt eine Eindickung der Mineralien im Kühlwasserkreislauf. Um einen konstanten Salzgehalt, insbesondere KH = const., beizubehalten, ist eine kontinuierliche Abflutung vorteilhaft (Richtwert: Verdunstungsverlust Abflutung). Die Wasserverluste (ca. 2
Die Anwendung physikalischer Methoden in Kühlwasserkreisläufen ist empfehlenswert, da auch das Abflutwasser weiterverwendet werden kann, z.B. für der Bewässerung von Gärten und landwirtschaftlichen Flächen. Gegen ein biologisches Wachstum, vgl. Tabelle 3, sind physikalische Methoden wirkungslos.
Warmwasserkreisläufe:
In Warmwasserkreisläufen, z.B. Motorkreisläufe, ist eine Basishärte als Korrosionsschutz erforderlich. Als Erfahrungswerte werden 0,35 mmol/l < KH < 0,7 mmol/l (2 °dH < KH < 4 °dH) bei 7,5 < pH < 9 genannt. Zu begrenzen sind weiterhin die Korrosionsverursacher Chlorid und Sulfat auf je 50 mg/l. Übliche Praxis ist der Einsatz von Polyphosphat, welches härtestabilisierend und korrosionshemmend wirkt. Nach längerer Betriebsdauer besteht aber die Gefahr einer Umwandlung in Ortho-Phosphat mit schädlichen Folgen. Deshalb werden häufig Inhibitoren auf organischer Grundlage verwendet, so daß bei einem Wasserablauf für das Entsorgungssystem die gleichen Bedenken bestehen wie bei Kaltwasserkreisläufen. (Im Kaltwasser ist Phosphat ein guter Nährboden für das biologische Wachstum). Physikalische Methoden der Wasserbehandlung werden auch hier als wirtschaftlicher beurteilt.
Heißwasserkreisläufe:
Die Wasserbeschaffenheit in Heizkreisläufen wird durch das „VdTÜV-Merkblatt TCh 1466" bzw. „AGFW-Merkblatt 5/15" [11] festgelegt und in der „VDI-Richtlinie 2035" [12] beschrieben. Das Merkblatt unterscheidet zwischen salzarmem Wasser (< 100
m S/cm) und salzhaltigem Wasser (100...1500 m S/cm). Die Gefahr der Sauerstoffkorrosion ist bei salzarmem Wasser von der elektrischen Leitfähigkeit abhängig; ein O2-Gehalt > 0,1 mg/l erfordert die Zugabe von O2-Bindemitteln. Bei salzhaltigem Wasser sind Sauerstoffeinbrüche auszuschalten oder entsprechende Korrosionsschutzmaßnahmen anzuwenden. Für un- bzw. niedriglegierte Stähle ist eine ausreichende Alkalität (9 < pH < 10,5) erforderlich, um den Aufbau und die Erhaltung der Schutzschichten zu gewährleisten.Erstfüllung und Zusatzwasser sind auf eine Gesamthärte GH < 0,02 mmol/l ( 0,11 °dH) zu enthärten. Am wirtschaftlichsten wird diese geringe Resthärte durch eine Vollenthärtung - bei der Dampferzeugung durch Vollentsalzung - mittels Ionenaustausch erreicht. Eine zusätzliche Wasserbehandlung mit einem Korrosionsinhibitor ist wahrscheinlich. Eine ausschließliche Härtestabilisierung - somit auch die Verfahren der physikalischen Wasserbehandlung - sind bei diesem Anwendungsfall nicht ausreichend
Abwassersysteme:
In den Abwasserkanälen herrschen ähnliche physikalisch-chemische Verhältnisse, so daß Geräte der physikalischen Wasserbehandlung zur Verbesserung der Strömungsbedingungen beitragen können, allerdings besteht dann ein erhöhter Wartungsaufwand.
Mischanwendungen:
Viele Waschvorgänge sowie Kühl- und Schmiersysteme der mechanischen Fertigung arbeiten mit chemischen Additiven, die für das Bedienungspersonal gesundheitsschädigend sind. Zur Schaffung humaner Arbeitsplätze kann die Reduzierung der Oberflächenspannung durch die physikalische Wasserbehandlung und der Verzicht auf die Additive beitragen.
Das Ziel jeder Wasserbehandlung muß die Gewährleistung und ständige Verbesserung der Umweltverträglichkeit sein.
RETUR ÜBERSICHT (English)
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Literaturübersicht
|
[1] |
H. Schnell , B. Slipcevics: „Ursachen und Auswirkungen der Verschmutzung und Verkrustung von Wärmeübertragungsflächen", Z.: Chemie-Ingenieur-Technik 6/1984 |
|
[2] |
Deutsche Bundesregierung: „Wasserhaushaltsgesetz (WHG) einschl. Trinkwasserverordnung (TWV)", Gesetzblatt der Bunderepublik Deutschland, Bonn 1991 |
|
[3] |
H. G. F. Winter: „Struktur und Eigenschaften der Kristalle", Springer-Verlag Berlin / Göttingen / Heidelberg 1950 |
|
[4] |
Firmenschrift: „Ihr Partner für Dauermagnete," Magnetfabrik Schramberg GmbH & Co, 1994 |
|
[5] |
Firmenschift: „Für Wasser", „Physikalische Gas- und Flüssigkeitsbehandlung", Bünde 1996 |
|
[6] |
H.-D. Held, H. Schnell (Neubearbeitung): „Kühlwasser", Vulkan - Verlag Essen, 1994 |
|
[7] |
H. Flettner: „Schutz vor Kalkablagerungen", Z.: TAB 11/1996 |
|
[8] |
H. Schnell: „Reinigung im Kühlwasserbereich", Z.: TAB 8/1988 |
|
[9] |
Firmenschrift: „Automatisches Reinigungssystem für Rohrbündel-Wärmeaustauscher", KALVO - Vogler GmbH Solingen, 1992. |
|
[10] |
H. Schnell: „Technische Rückkühlung", in: Handbuch Wärmeaustauscher, 2. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, 1994 |
|
[11] |
VdTÜV - Merkblatt TCh 1466 / AGFW 5/15: „Richtlinien für das Kreislaufwasser in Heißwasser - und Warmwasserheizungsanlagen (Industrie- und Fernwärmenetze)", Verlag TÜV-Rheinland Köln, 1989 |
|
[12] |
VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung: „VDI-Richtlinie 2035: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen. Steinbildung in Wassererwärmungs- und Warmwasserheizanlagen", VDI-Verlag Düsseldorf, 1994 |
|
[13] |
H. Schnell: „Schadensfälle an Wärmeaustauschern bivalenter Gebäudeheizungen", Z.: TAB 6/1996 |
{SNL/01-98}
