Studie zur Korrosionsbeständigkeit von Plattenwärmeübertragern vorgestellt

Kein warmes Wasser ohne Plattenwärmeübertrager: In Trinkwasserstationen wird Trinkwasser durch das warme Wasser der Heizungsanlage erwärmt. Sie bestehen normalerweise aus einer Ladepumpe, einer Regelung und einem Plattenwärmetauscher. In ihm werden das zu erwärmende Trinkwasser und das heiße Heizungswasser, getrennt durch die Wärmetauscherlamellen, aneinander vorbeigeführt (Gegenstromprinzip). Dabei gibt das heiße Heizungswasser seine Wärmeenergie an das Trinkwasser ab, das dadurch auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.

Foto: panthermedia / patrickdaxenbichler

Während bei Trinkwasseranwendungen neue, auf Basis der CVD-Technik mit Siliziumdioxid innenbeschichtete Plattenwärmetauscher eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit erreichen sollen, zeigte eine beim Dresdner Institut für Korrosionsschutz (IKS) von der Kelvion Brazed PHE GmbH in Auftrag gegebene Langzeitstudie, dass die Nickelmigration unbeschichteter Kupfer-(Cu-)frei gelöteter Plattenwärmetauscher nach höherer Anfangsmigration längerfristig deutlich unter dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) bleibt. Bei beschichteten Cu-gelöteten BPHE (Brazed Plate Heat Exchanger) war dagegen der umgekehrte Fall zu beobachten: Während die Anfangsergebnisse unter dem Grenzwert lagen, hatte die Beschichtung bereits nach kurzer Zeit ihre Schutzwirkung verloren.

Plattenwärmeübertrager: Wichtige Komponente bei der Trinkwassererwärmung

Zum Hintergrund: Plattenwärmeübertrager, oder -tauscher, die zur Erwärmung von Trinkwasser im privaten Umfeld eingesetzt werden, sind in so genannten Trinkwasserstationen zwischen den Wasserleitungen der Straße und dem Wohnhaus verortet. Trinkwasserstationen bestehen im Normalfall aus einer Ladepumpe, einer Regelung und einem Plattenwärmetauscher. Sobald der Warmwasserhebel im Haus betätigt wird, fördert die Ladepumpe warmes Wasser aus einem Heizungspufferspeicher zum Wärmetauscher. Dieser wird ebenfalls von kaltem Frischwasser durchflossen. Im Wärmetauscher werden nun das zu erwärmende Trinkwasser und das heiße Heizungswasser – getrennt durch die Wärmetauscherlamellen – aneinander vorbeigeführt. Dabei gibt das heiße Heizungswasser seine Wärmeenergie an das Trinkwasser ab, das dadurch auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird. Da bei Trinkwasseranwendungen aus Kostengründen gelötete Plattenwärmeübertrager zum Einsatz kommen, die nicht gereinigt oder gewartet, sondern bei Fehlfunktion ausgetauscht werden, ist für eine generelle hygienische Eignung beschichteter Apparate im Trinkwasserbereich vor allem die Lebensdauer der Beschichtung über die Gebrauchsdauer des Trinkwassertauschers von entscheidender Bedeutung.

Langzeitstudien zur Wirksamkeit der Beschichtung fehlten

Bei Kelvion stellte man die Hypothese auf, dass die Beschichtung die Nickelmigration bis zu einem bestimmten Zeitpunkt zunächst vermindert, dann jedoch möglicherweise (aufgrund von abrasiven beziehungsweise thermischen / mechanischen Wechselbeanspruchungen) zu einem unbestimmten Zeitpunkt an Wirksamkeit verliert. Da entsprechende, belastbare Langzeittests im Hinblick auf die Einhaltung der in der TrinkwV [1] vorgegebenen Grenzwerte nicht bekannt beziehungsweise nicht publiziert sind, wurden Langzeittests am Institut für Korrosionsschutz Dresden in Auftrag gegeben. Diese waren auf einem Prüfstand nach DIN EN 15664–1 [2] in Anlehnung an DIN EN 16058 [3] über einen Versuchszeitraum von 26 Wochen angelegt. Dafür wurde das Dresdner Wasser durch Dosierung so aufgestockt, dass die Zusammensetzung dem Prüfwasser 1 nach DIN EN 15664–2 [4] entsprach – einem sehr harten, neutralem Wasser mit hohem Neutralsalzgehalt. Die durchschnittlichen Wasserwerte waren die Folgenden:

• pH-Wert: pH 7,4
• Wassertemperatur: 20,9 °C
• Leitfähigkeit bei 20 °C: 1 175 µS/cm
• Alkalinität KS4,3: 5,9 mmol/L
• TOC: 2,8 mg/L
• Gesamthärte: 21 °dH
• Chlorid-Gehalt: 125 mg/L
• Sulfat-Gehalt: 175 mg/L
• TW-Druck: 3,5 bar

Kupfergelöteter Wärmeübertrager verliert seine Schutzwirkung bereits nach kurzer Zeit

In der vorliegenden Versuchsreihe sind zwei unbeschichtete, buntmetallfrei gelötete Apparate parallel mit einem kupfergelöteten, aber sonst baugleichen Wärmeübertrager, der mit einem dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden CVD-Verfahren mit einer Siliziumdioxid-Beschichtung versehen wurde, verglichen worden. Der nunmehr abgeschlossene Langzeittest zeigte, dass die Beschichtung des kupfergelöteten Wärmeübertragers bereits nach kurzer Zeit ihre Schutzwirkung verloren hat, wohingegen die unbeschichteten, buntmetallfrei gelöteten Serienapparate ein abnehmendes Migrationsverhalten der Nickelionen auf insgesamt niedrigem Niveau zeigen. Weiter schließt sich aus der Studie, dass für Anlagen, bei denen Buntmetalle verboten sind, eine SiO₂-Innenbeschichtung der Plattenwärmeübertrager offensichtlich nicht hinreichend ist, die gesetzlichen, hygienischen Vorgaben zur Buntmetallabgabe einzuhalten. Die Abgabe von Kupfer kann durch eine derartige Beschichtung nicht dauerhaft verhindert werden.

Warum gelötete Plattenwärmeübertrager?

Gelötete Plattenwärmetauscher bestehen aus einer individuell bestimmten Anzahl von gewellten Edelstahlplatten, die mithilfe von Kupfer, Nickelbasis- oder VacInox in einem speziellen Verfahren dauerhaft miteinander verbunden werden. Sie werden ohne Verwendung von Dichtungen hermetisch verschlossen und ermöglichen so höchste Betriebsdrucke und Temperaturen. Die Lebensdauer von gelöteten Plattenwärmetauschern beträgt je nach Wasserqualität und -härte zwischen drei und 20 Jahren. Die an der Verwendungsstation vorhandene Wasserqualität beeinflusst auch die Wahl des jeweiligen für den Lötprozess verwendeten Edelmetalls.

Literatur

1. TrinkwV: Trinkwasserverordnung; 4. ge­änderte, am 01. 01. 2020 in Kraft getretene Fassung.
2. DIN EN 15664–1: Einfluss metallischer Werkstoffe auf Wasser für den menschlichen Gebrauch. Dynamischer Prüfstandversuch für die Beurteilung der Abgabe von Metallen, Teil 1: Auslegung und Betrieb. Beuth Verlag, Berlin 2014.
3. DIN EN 16058: Einfluss metallischer Werkstoffe auf Wasser für den menschlichen Gebrauch. Dynamischer Prüfstandversuch für die Beurteilung von Oberflächenbeschichtungen mit Nickelschichten, Langzeit-Prüfverfahren, Beuth Verlag, Berlin 2012.
4. DIN EN 15664–2: Einfluss metallischer Werkstoffe auf Wasser für den menschlichen Gebrauch. Dynamischer Prüfstandversuch für die Beurteilung der Abgabe von Metallen, Teil 2: Prüfwässer. Beuth Verlag, Berlin 2010.

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