Notkühler

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.

Notkühler bringen jetzt volle Leistung

7. August 2017 by Michael Wentzke

Wartungsmaßnahmen am Notkühler für wirksame Gemisch- und Motorkühlung — Sommerliche Belastung für Notkühler (Quelle: Unsplash)

Auch wenn wir noch kein Wüstenklima haben, die Temperaturen waren und sind derzeit durchaus hochsommerlich. Für die Notkühler von Biogas-BHKWs sind jetzt Hochleistungen gefordert.

Dies betrifft sowohl den Gemischkühl-Kreislauf als auch den Motorkühlkreislauf. Wenn Wärmekunden im Sommer keinen Bedarf haben, muss eben die Motorabwärme über die Notkühler abgeführt werden.

Bauteilbelastung steigt mit den Betriebstemperaturen an

Wenn die Kühlleistung der Notkühler unzureichend ist, steigen die Kühlwassertemperaturen an. Die ohnehin der Verbrennung ausgesetzten Bauteile wie Zündkerzen und Zylinderköpfe werden noch heißer und quittieren dies mit geringeren Standzeiten. Diese Bauteile gehen buchstäblich vor der Hitze in die Knie.

Verschärft wird die Lage für den Biogasmotor, wenn auch das Biogas-Luft-Gemisch eine zu hohe Temperatur vor Eintritt in den Brennraum hat. Dann besteht die Gefahr des Motorklopfens durch zu hohe Temperaturen und Drücke im Brennraum. Dies gefährdet die Lager und führt im Extremfall zu starken Schäden an Kolben, Laufbüchsen und Zylinderköpfen bis zum Kolbenfresser. Nicht jeder Biogasmotor verfügt über eine Klopferkennung mit einer schützenden Leistungsreduktion des Motors, die gravierende Motorschäden vermeidet.

Funktionsfähige Notkühler schützen vor drohenden Hitzekollaps

Dies sollten Betreiber beachten, um ihren Biogasmotor vor Hitzeschäden zu schützen:

Kontrollieren Sie die Temperaturen vom Motor- und Gemischkühlkreislauf. Die Gemischtemperatur nach Gemischkühler sollte kleiner als 50° C sein. Maximalwerte sind am frühen Nachmittag zu erwarten.
Notkühler neigen dazu, sich an der Unterseite einen „Bioteppich“ anzusaugen, der regelmäßig vorsichtig abgeharkt werden muss, um die Kühlleistung zu erhalten. Ein kräftiger Wasserstrahl (kein Hochdruck..) hilft beim Säubern.
Ausreichender Kühlmitteldruck und Kühlmittel in gutem Zustand sind weitere Voraussetzungen für ausreichende Kühlleistungen der Notkühler.

Diese drei Maßnahmen sind die ersten Punkte, die ein Betreiber auch mit Blick auf die zurückliegenden Wartungen (Reinigung Wärmetauscher, Austausch Kühlmittel?) vornehmen kann. Im Fachsymposium Biogasmotoren am 5.9.2017 gehen wir mit mehreren Fachvorträgen auch auf diese Thematik ein.

Ursachenbündel für thermische Probleme von Biogasmotoren

Die Ursachen für thermische Probleme von Biogasmotoren in Biogas-BHKWs finden sich nicht nur im Betrieb, sondern auch in der Planung und Auslegung des BHKWs. Wenn Pumpen, Wärmetauscher, Rohrleitungen oder Notkühlern zu knapp ausgelegt wurden, kommen bei hochsommerlichen Temperaturen die oben beschriebenen Probleme. Zum Teil mangelt es auch an der richtigen Einstellung der Regelventile, die die volle Kühlleistung von Notkühlern verhindern.

Im Biogasmotoren Technik-Seminar II geht es um die richtigen Betriebstemperaturen des Biogasmotors. Seminarteilnehmer erhalten neben vielen Praxis-Tipps auch Checklisten zur Schadensprävention. Diese sollten gemeinsam mit dem Servicepartner für einen störungsfreien Betrieb abgearbeitet werden. Wir werden Sie zeitnah über unsere Biogasmotoren Technik-Seminare für Herbst und Winter 2017/2018 informieren.