Gemischkühlung

Hitzekollaps im BHKW

7. August 2020 by Michael Wentzke

Drohender Hitzekollaps für Biogas-Motoren

Biogas-Blockheizkraftwerke in Containeraufstellung droht in diesen Tagen der Hitzekollaps. Die BHKW-Container haben keine starke Isolierung und sind der starken Sonneneinstrahlung ausgeliefert. Alle Kühleinrichtungen arbeiten nun auf Hochtouren, um dem Biogas-Aggregat die geforderte Leistung zu ermöglichen, ohne Schaden zu nehmen. Die externe Aufheizung des Containers führt zu hohen Raumlufttemperaturen, die in Verbindung mit der Strahlungswärme des laufenden Motors die Gemischkühlung vor große Aufgaben stellt.

Mechanik und Elektronik leiden in gleicher Weise unter der Hitze

Bei den hohen sommerlichen Temperaturen kommen nicht nur der Motor ins Schwitzen, sondern auch die Schaltschränke. Deren Komponenten erleiden den Hitzekollaps, wenn die elektronischen Bauelemente Temperaturen von mehr als 45°C ausgesetzt sind. Das wird auch in Schaltschrankräumen zum Problem, wenn es nur eine Lüftung dieses Raumes gibt und kein Klimagerät zur Kühlung im Schaltschrank. Stehen die Schaltschränke an einer südlich ausgerichteten Containerwand, strahlt diese Wand mit zum Teil deutlich mehr als 45°C in den Schaltschrank auf die dort an der Rückseite verbauten Komponenten.

Wenn es die Kühlkreisläufe für den Motor und das Gemisch nicht mehr packen, dann schützt den Motor nur noch eine Leistungsreduktion in Verbindung mit einer Klopfsensorik. Die wenigsten Kühlkreisläufe wurden auf Außentemperaturen von 35°C ausgelegt, daher leiden viele Biogas-BHKWs in Containeraufstellung bei diesen Außentemperaturen unter Hitzestress. Zum Hitzekollaps kommt es dann, wenn es keine Schutzeinrichtungen gibt. Dauerhaftes Klopfen des Biogasmotors endet oft mit einem Kolbenfresser. Daher sind Warnmeldungen der Motorsteuerung unbedingt ernst zu nehmen, um kapitale Motorschäden zu verhindern.

Wie sich Betreiber gegen den Hitzekollaps schützen können

Gerade bei knapp ausgelegten Kühlkreisläufen müssen die vorhandenen in guter Verfassung sein. Dazu gehören unter anderem

kalkfreie Wärmetauscher,
ausreichend hoher Kühlmitteldruck, entlüftete Kühlkreisläufe,
kein Ölnebeldampf im Gemischkühler und
Notkühler ohne „Bioteppich“

Wärmetauscher sollten stets mit ausreichender Verschmutzungs- und Leistungsreserve dimensioniert sein. Anlagenbauer weichen aus Kosten- und Wetbewerbsgründen hiervon oft ab, die Konsequenzen erlebt der Betreiber erst im Sommer. Dann reduziert jedes Grad weniger Bauteiltemperatur den Verschleiß oder das Schadensrisiko. Betroffene Bauteile sind Zylinderköpfe, Kolben, Laufbuchsen und Zündkerzen, deren Standzeiten sinken oder zum Versagen mit Motorschaden führen.

Wenn es die Kühlkreisläufe nicht ausreichend schaffen, ist eine Leistungsreduktion in der Größenordnung von 5 bis 20 % das kleinere Übel im Vergleich zum Motorschaden mit Instandsetzungs- und Betriebsunterbrechungskosten.

Generatoren mögen es auch nicht so heiß

Frische Raumluft durchströmt zuerst den Generator und dann erst am Motor entlang. Die Kühlkanäle des Generators nehmen so „kalte“ Frischluft auf. Und sorgen dafür, dass Wicklungen, Kabelverbindungen und elektronische Komponenten nicht zu heiß werden und verspröden. Dies funktioniert aber nur, wenn die Zuluft frei von Staub und Schmutz ist, da sich anderenfalls die Kühlkanäle zusetzen. Ein weiterer Grund, nur gefilterte Frischluft in den BHKW-Container zu lassen. Auch die Zuluftführung ist zu beachten: ein Teil des Luftstromes muss die Chance haben, in den Generator hineinzukommen und nicht nur über den Generatorkasten hinwegzufegen…

Für Schaltschränke sind diese Maßnahmen zur Vorbeugung angezeigt:

Ungestörter Luftstrom zur Be- und Entlüftung im Schaltschrank
Ausreichend groß bemessene Querschnitte zur Schaltschrankraum-Belüftung
Isolierung des Schaltschrankraumes zum Motorbetriebsraum hin (inkl. Kabelschächte)
Einsatz eines kleinen Klimagerätes im Schaltschrank (thermostatgesteuert)

Bei Schaltschränken im Betriebsraum des Biogasaggregates sollten diese (mit dem Generator) zuerst von der Frischluft angeströmt werden, damit deren Komponenten überleben. Hilfreich sind auch hier bauteilnah eingesetzte kleine Klimageräte in den Schaltschränken.

Weitere Beiträge zu „heißen“ Themen des BHKW-Betriebes finden Betreiber, die noch kein Mitglied sind, unter diesem Link.

Motorkühlung fit für steigende Temperaturen?

11. März 2019 by Michael Wentzke

Noch sind die Außentemperaturen so tief, dass Motoren eigentlich keine thermischen Probleme haben sollten. Die Praxis vor Ort spricht dagegen in vielen Fällen eine andere Sprache. Wenn zu dieser Jahreszeit Motoren schon an den Grenzwerten für Kühlmittel- und Gemischtemperaturen kratzen, lohnt es sich, auf die Ursachen zu schauen. Die Motorkühlung hängt von mehreren Faktoren ab:

Zustand der Wärmetauscher
Raumluftwechsel
Zustand des Kühlmittels
Parametrierung der Regelventile
Zustand des Schmierölkühlers
Kühlmitteldrücke in den Kühlkreisläufen
Luftseitige und wasserseitige Kühlflächen der Notkühler

Gute Motorkühlung reduziert den Verschleiß

Hochbelastete Biogasmotoren beanspruchen Zylinderköpfe und Zündkerzen sowie Laufbuchsen, Kolben und Kolbenringe. Häufig kühlen Ölspritzdüsen die Kolbenbodenunterseiten. So leistet das Schmieröl auch seinen Beitrag zur Motorkühlung und führt diese Wärme über den Schmierölkühler an den Motorkühlkreislauf ab. Manche Motoren koppeln die Schmierölwärme auch direkt aus und machen die Wärme für Heizwärme direkt nutzbar. Ein ausreichend großer Schmierölkühler, der regelmäßig gereinigt wird, ist dann auch ein Garant für Schmieröltemperaturen, die den Additiven eine lange Standzeit ermöglichen. Temperaturen um 100°C und mehr zeigen eine hohe thermische Belastung an, die die Additive rasch „in die Knie gehen“ lassen.

Die Standzeiten von Zylinderköpfen und Zündkerzen hängen direkt von ihren Betriebstemperaturen ab. Je tiefer diese sind, desto geringere thermische Belastungen wirken als verschleißfördernder Stress auf diese Bauteile.

Niedriger Kühlmitteldruck als Schadenstreiber

Materialabtrag durch Kavitation im Kühlkreislauf

Die Kühlmitteldrücke bewegen sich unterhalb des Radars vieler Betreiber. Solange noch Kühlmittel im Kühlkreislauf ist, scheint alles in Ordnung. Für die Motorkühlung ist auch ein ausreichender Kühlmitteldruck sehr wichtig, da sich anderenfalls Dampfblasen bilden, die nicht kühlen. Und die unangenehme Eigenschaft haben, Material von Laufbuchsen und vom Motorblock wegzufressen: Kavitation bedingt durch implodierende Dampfblasen führt so zu teuren Motorschäden.

Kühlmitteldrücke von einem bar und weniger sind absolut zu gering. Mindestens 1,5 bis 2,5 bar geben erst den Schutz vor unerwünschter Dampfblasenbildung. Die Kühlmitteldrücke sind in den Kühlkreisläufen nicht überall gleich hoch, aufgrund der Strömung des Kühlmittels und der Strömungswiderstände durch Ventile oder enge Radien gibt es nämlich Druckabfälle, die den am Manometer angezeigten Druck deutlich reduzieren können.

Kühlmittel sind keine Lebensdauerfüllung für Motoren

Schmierölwechsel stehen viel stärker im Bewustsein von BHKW-Betreibern als Kühlmittelwechsel, da deren Wechselintervalle ja auch wesentlich kürzer sind. Trotzdem sollte man dem Kühlmittel die Aufmerksamkeit im Rahmen der Instandhaltung schenken, die es für eine gute Funktion benötigt. Das heißt, eine jährlich Überprüfung und Anlyse einer Kühlmittelprobe ist kein Luxus, sondern wirksamer Schutz, um die Leistungsfähigkeit der Motorkühlung zu erhalten.

Ein Beispiel einer Kühlmittelanalyse erhalten Sie über diesen Link. Der Aufbau ähnelt einer Schmierölanalyse und gibt dem Servicepartner wie auch dem Betreiber ein zutreffendes Bild über den Verschleißzustand des Kühlmittels und besondere Belastungen aus dem Einsatz im Kühlktreislauf.

Motor als Wärmequelle unterschätzt

Die Strahlungswärme des Motors – bei einem 500 kW-Motor immerhin ca. 95 kW – heizt den Betriebsraum auf und führt zum Ansteigen der Raumlufttemperatur. Steigt die Temperatur über 35°C wird es nicht nur dem Service- und Bedienpersonal zu warm, sondern auch dem Motor. Es droht dann nämlich ein Anstieg der Gemischtemperatur in Richtung Klopfgefahr. Dies bedeutet für den Gemischkühlkreislauf harte Arbeit, um die Gemischtemperatur in gesunden Grenzen zu halten.

Die Strahlungswärme lässt sich nur wenig reduzieren, indem abgasführende Teile wie Sammelrohre und Abgasturbolader wärmeisoliert oder wassergekühlt werden. Ein Grund mehr also auf eine gute Fitness der Motorkühlung zu achten. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, die Kondition des Biogasmotors zu verbessern und vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen.

Es wird wieder wärmer – manchem Biogasmotor auch

17. Mai 2016 by Michael Wentzke

Störungsfreie Gemischbildung im Biogasmotor

Wie groß der Einfluss der Peripherie auf die Betriebsdaten von Biogasmotoren ist, war unlängst an einem Standort zu besichtigen, an dem zwei Biogasmotoren gleichen Herstellers in unterschiedlichen Containerlösungen verbaut waren. Aufgrund des sonnigen Frühlingswetters waren die Mittagstemperaturen auf rund 23 Grad Celsius angestiegen.

Der erste dieser beiden Biogasmotoren war in einem eigentlich zu kleinen Container eingepfercht, mittags gab es dort Gemischtemperaturen, die bei knapp 60° Celsius lagen und der empfohlenen Höchsttemperatur schon um mehr als 10°enteilt waren. Aus dem Generator trat sehr heiße Abluft aus, die Wicklungstemperaturen lagen etwas über 80° Celsius – rund 20° höher als im benachbarten Aggregat.

Erschwerend kam hinzu, dass eine Zuluftfilterung fehlte und die Raumtemperatur nicht geregelt war. Dem zweiten Biogasmotor im benachbarten Container ging es wesentlich besser: Zuluftfilterung und eine höhere Gebläseleistung sorgten für spürbar niedrigere Raumtemperaturen, die sich auch in deutlich geringerer Wicklungstemperatur im Generator und in niedrigerer Gemischtemperatur auswirkten.

Raumluftklimatisierung ist kein Luxus sondern Bestandteil der Einbauvorschriften vieler Biogas-motoren-Hersteller. Regelmäßige Wartung und Überwachung der Raumluftfilter ist genauso wichtig wie die Wartung des Ansaugluftfilters. Selbst im Schaltschrankraum ist die Lufttemperatur entscheidend für die Lebensdauer elektronischer Bauelemente. Wenn es zu kalt wird und kondensierende Luftfeuchtigkeit droht, leiden die Kabelkontakte: Rost macht sich dort nicht gut.

Für den Biogasmotor sind zu hohe oder zu niedrige Raumlufttemperaturen ein Problem:

Zylinderköpfe verschleißen schneller,
Zündkerzenwechsel sind häufiger notwendig,
der Biogasverbrauch steigt, wenn die Antiklopfregelung anspricht und
Lagerbelastungen steigen.

Wenn dann noch weitere Belastungen aus den Kühlkreisläufen und der Biogasaufbereitung hinzukommen, sind die „Hochleistungspferde“ Biogasmotoren schnell am Ende und nerven den Betreiber mit ungeplanten Stillständen und teuren Reparaturen.

Anhand der technischen Betriebsdaten lässt sich die drohende Belastung oft zuverlässig ablesen und rechtzeitig Schadensprävention betreiben. Im Biogasmotoren Technik-Seminar greifen wir diese Themen für Betreiber auf und geben Hinweise, worauf der Blick gelenkt werden sollte. Das nächste Technik Seminar, das sich mit Luft und Biogas für den Biogasmotor beschäftigt, findet am 26. Mai 2016 in Neustrelitz statt. Zahlreiche Tipps und Checklisten, die sich in den Seminarunterlagen finden, unterstützen Betreiber in der technischen Betriebsführung. Interessenten melden sich bitte hier an.