Der Primärkreislauf ist der Bereich, in dem das Wasser aus dem See oder Fluss zirkuliert. Er umfasst in der Regel die Ansaugleitungen, einen oder mehrere Filter und den ersten Wärmetauscher. Das Wasser enthält Verunreinigungen, Nährstoffe und kleine Wasserorganismen, so dass der Primärkreislauf biologischen Einflüssen wie der Besiedlung durch Algen ausgesetzt ist.
Die Wärmetauscher im ersten Kreislauf kommen direkt mit See- oder Flusswasser in Berührung. Die beiden Hauptbauarten sind Röhrenwärmetauscher und Plattenwärmetauscher. Röhrenwärmetauscher sind leicht zu reinigen (insbesondere bei geraden Rohren) (Kazi, 2012), während Plattenwärmetauscher wegen ihrer hohen Effizienz, geringen Grösse und niedrigen Kosten beliebt sind. Wärmetauscher sind ein zentraler Bestandteil der Infrastruktur für die thermische Nutzung, und vor allem zwei ihrere Eigenschaften sind wesentlich:
Bei den meisten Wärmetauschern, die mit See- oder Flusswasser betrieben werden, muss das Auftreten von biologischem Wachstum von Bakterien, Algen und Muscheln (Biofouling) berücksichtigt werden (Kazi, 2012). Biofouling kann sich negativ auf die beiden oben genannten Eigenschaften auswirken (Kazi, 2012). Die Ansammlung von Organismen an den Wänden des Wärmetauschers erhöht nämlich die Reibung und die Turbulenzen, wodurch sich der Durchfluss verringert (oder der Druckabfall erhöht, wenn ein konstanter Durchfluss aufrechterhalten wird). Darüber hinaus vermindert sich der Wärmeaustauschkoeffizient. Beide Effekte summieren sich und erhöhen den Energiebedarf des Systems, da mehr Flüssigkeit gepumpt werden muss, um die gleiche Wärmemenge auszutauschen. Manchmal fördert biologisches Wachstum auch chemische Ausfällungen (Langford, 1990). Kesselsteinbildung und Korrosion sind bei der thermischen Nutzung von Süsswasser aber selten./p>
Das Wachstum von Biofilmen ist besonders kritisch. Ein Biofilm ist eine Schicht von Bakterien, die sich auf einer Oberfläche festsetzt und sich nach und nach entwickelt, geschützt vor äusseren Einflüssen. Indem er die inneren Oberflächen bedeckt, erhöht der Biofilm letztlich die Reibung und verringert die Effizienz der Wärmeübertragung. Die Faktoren, die das Biofilmwachstum begünstigen, sind: geringe Strömungsgeschwindigkeit, warmes Wasser, Nährstoffreichtum und eine raue Oberfläche (Rajagopal et al., 2012; Bott, 1995; Kazi, 2012; Jenner et al., 1998). Unter ungünstigen Bedingungen, insbesondere bei schneller Strömung, wächst der Biofilm langsamer und wird dünner und dichter. Schwebstoffe im Wasser können die Bildung von Biofilmen verhindern (Bott, 1995).
Auch die Besiedlung durch grössere Organismen hängt stark von der Wassergeschwindigkeit ab (Rajagopal et al., 2012). Zebramuscheln treten bei Fliessgeschwindigkeiten von 0.1-0.5 m s-1 in grösserer Anzahl auf und fehlen dort, wo die Geschwindigkeit 1 m s-1 übersteigt. Obwohl die Besiedlung manchmal auch bei höheren Geschwindigkeiten erfolgt, wird eine Geschwindigkeit von ~1.4 m s-1 (in 1 mm Abstand von den Wänden) empfohlen, um Bewuchs durch solche Organismen zu verhindern (Jenner et al., 1998). Zudem sollte die Oberfläche idealerweise so glatt wie möglich sein.
Es gibt zahlreiche Methoden gegen die Ausbildung und zum Entfernen von Bewuchs (Jenner et al., 1998):
Wenn der Bewuchs nicht zu schnell wächst, ist eine Reinigung im Betrieb im Allgemeinen nicht erforderlich. Eine regelmässige physikalische Reinigung (z. B. mit Bürsten oder Wasserstrahl) alle paar Monate oder Jahre ist dann meist die optimale Option. Bei Anlagen, die dauernd in Betrieb sein müssen, werden in der Regel mehrere Wärmetauscher parallel geschaltet, so dass die Reinigung eines Tauschers ohne Systemunterbruch erfolgen kann. Eine chemische Reinigung sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn eine physikalische Reinigung nicht möglich ist, da sie zusätzliche Sicherheitsmassnahmen zum Schutz der Arbeiter und der Umwelt erfordert (Bott, 1995).
Letztendlich ist die Wahl der für das Betriebsschema massgeblichen Parameter (Durchflussraten und Arbeitstemperaturen) ein Kompromiss, um den Wärmeaustausch zu maximieren und die Probleme mit dem Biofouling zu minimieren und so die Gesamtkosten zu senken. Zu den grundlegenden Konstruktionskonzepten gehören: Einfachheit, Maximierung der Strömungsgeschwindigkeit, Minimierung der Temperatur der Austauschfläche, Verwendung von Materialien, die für den Aufwuchs ungünstig sind, und Wartungsfreundlichkeit (Bott, 1995). So werden beispielsweise Wärmetauscher häufig aus Kupfer hergestellt, da dieses Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und gut gegen Biofouling resistent ist. Anlagen zur Wärmenutzung in Seen und Flüssen werden oft unter unregelmässigen Bedingungen betrieben, was die Kontrolle des Biofoulings erschwert