Leckagen in Plattenwärme­tauschern detektieren

Ammoniumcarbamat in CO2/NH3-Kaskadenkälteanlagen

In Kaskadenkälteanlagen mit dem Kältemittelpaar CO2 und NH3 können bei Leckagen im Plattenwärmetauscher große Schäden entstehen. Kommt bei einer Leckage CO2 mit NH3 in Berührung, entsteht ein kristallines Produkt, das Rohrleitungen, Ventile und andere Komponenten des Kältesystems blockieren kann und das nicht mehr zu entfernen ist. Als Folge müssten Komponenten und Rohrleitungen erneuert werden. Abhilfe schafft ein Sensor, der bei einer Leckage rechtzeitig warnt.

Der Ausdruck „Kaskade“ ist von Kaskadenwasserfällen hergeleitet, wo das Wasser über mehrere Stufen hinunterfällt. Dabei wird in der Kälteanlage ein Tieftemperaturkältemittel (hier CO2) im Kreislauf der unteren Kaskadenstufe verwendet. Der Verflüssiger dieser Stufe dient als Verdampfer der oberen Kaskaden­stufe, welche ein anderes Kältemittel (hier NH3) enthält (siehe Abbildung 1).

Es gibt mehrere gute Gründe dafür, eine Kaskadenkälteanlage zu installieren. Typischerweise kommt sie zum Einsatz, wenn Tieftemperaturen erzeugt werden müssen. Im Prinzip könnte dies in einer einstufigen Anlage stattfinden, aber wenn die Temperaturdifferenz zwischen Verflüssigungs- und Verdampfungs­temperatur zu groß ist, wird der sogenannte ökonomische Arbeitsbereich des Kühlmittels überschritten. Eine Kaskadenkälteanlage mindert diese Differenz, erhöht die Leistungszahl, und senkt dabei die Betriebskosten.

Was passiert bei einer Leckage?

Der Druck im CO2-Kreislauf ist um einiges höher als der Druck im NH3-Kreislauf (siehe Abbildung 2). Eine Leckage im Wärmetauscher kann deshalb bedeuten, dass CO2 in den NH3-Kreislauf gelangt. Vorausgesetzt dass kein Wasser im System vorhanden ist, würde dabei folgende chemische Reaktion stattfinden:

CO2 + 2 NH3  NH2COONH4

Das Reaktionsprodukt heißt Ammoniumcarbamat, und es handelt sich um ein Salz, welches unter Umständen in den Verdichter sowie Ventile gelangen kann. Darüber hinaus kann es sich im Verdampfer ansammeln und den Wirkungsgrad reduzieren. Das Ammoniumcarbamat zeigt sich typischerweise als kleine Flocken mit einer Größe wie Gerstenflocken. Werden sie aber erst abgelagert, können sich diese Flocken als größere Aggregate aufbauen.

Wie aus der Reaktionsgleichung zu sehen ist, wird z.B. aus ein Mol CO2 und zwei Mol NH3 ein Mol NH2COONH4 produziert. In Gewicht umgerechnet heißt das, dass aus etwa 44 g Kohlendioxid und 34 g Ammoniak 78 g Ammoniumcarbamat gebildet wird. Bei beispielsweise -10 °C und einem Druck von 26,49 Bar (Siedepunkt von CO2) hat 44 g gasförmiges Kohlendioxid ein Volumen von etwa 0,8 l. Das spezifische Gewicht von kristallinem Ammonium­carbamat beträgt 1,6 g/cm3, welches bei den obengenannten 78 g ein Volumen von knapp 50 ml entspricht.

Nun sollte man nicht davon ausgehen, dass bei einer Leckage nur 0,8 l CO2 in den NH3-Kreislauf gelangt. Wie in Abbildung 2 zu sehen, ist der CO2-Druck wesentlich höher als der NH3-Druck, und je nach Größe einer oder mehreren Leckagen kann mehr oder weniger CO2 in den NH3-Kreislauf eindringen und die oben beschriebene chemische Reaktion auslösen.

Wird das Eindringen von CO2 nicht rechtzeitig gemessen, riskiert man, dass Ammoniumcarbamat als Folge der hohen Strömungsgeschwindigkeit schnell in Ventile und Kompressor gelangt, wo das Salz unerwünscht ist.

Messen: CO2 oder NH2COONH4?

Es könnte nahe liegen, einen CO2-Eintritt mit Hilfe eines CO2-Sensors zu messen. Für solche Zwecke gibt es mehrere Sensoren auf dem Markt. Das Problem ist aber, dass ein CO2-Sensor kein CO2 registriert, wenn die oben beschriebene Reaktion schon stattgefunden hat. So würde man nie herausfinden, ob eine Leckage mit einem daraus folgenden CO2-Eintritt stattgefunden hat.

Um dieses Problem zu lösen, hat die dänische Firma HB Products (www.hbproducts.dk) einen Sensor entwickelt, der Ammonium­carbamat kapazitiv detektiert. Das Messprinzip beruht darauf, dass die relative Permittivität (Dielektrizitäts­zahl) von Ammonium­carbamat viel größer ist als die von gasförmigem Kohlendioxid und Ammoniak.

Mehrere Versuche zeigen, dass die chemische Reaktion blitzschnell stattfindet. Dies wurde durch ein Schauglas durch das Auftreten von Ammoniumcarbamatflocken bekräftigt.  Aber dieselben Versuche zeigen auch, dass das Ammonium­carbamat im selben Moment registriert wird, indem die gemessene Kapazitanz fast sprunghaft steigt, sobald CO2 in das NH3-System geleitet wird.

Es ist damit gelungen, einen Sensor zu entwickeln, der dazu beitragen kann, ein oft wiederkehrendes Problem zu lösen, das durch Leckagen im Wärmetauscher ausgelöst wird. So kann z.B. das Mess-Signal einen Notstopp bewirken, damit der NH3-Kreislauf abgeschaltet wird, bevor Schäden auftreten.

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