KÜHLTÜRME: FUNKTIONSWEISE UND WARTUNG
LEITFADEN KÜHLTÜRME
Alle Industrie- sowie Klima-, Kühl- oder Energieproduktionsanlagen sind durch eine mehr oder weniger wichtige Wärmeabgabe gekennzeichnet. Diese „Rest“-Wärme hat, abgesehen von einigen wenigen Fällen, einen niedrigen Energiegehalt, deren Rückgewinnung nicht sinnvoll oder auch unmöglich ist. Daher muss diese in irgendeiner Weise extern abgeleitet werden.
Heute gehören diese zu den effizientesten vom Markt angebotenen Kühltechnologien, um Wärme oder gar Hitze zu vermeiden. Aus diesem Grund sind Kühltürme die am häufigsten eingesetzen Kühlelemente in der Industrie.In diesem Leitfaden beschäftigen wir uns mit Verdunstungs-Kühltürmen.
Wir antworten Ihnen:
- Was sind Kühltürme, wozu werden sie genutzt und wie funktionieren sie?
- Was bedeutet „Verdunstung“ oder „Verflüssigung“?
- Welche Komponenten und Materialien werden in Kühltürmen verwendet?
- Welche Arten von Kühltürmen gibt es?
- Warum sind sie notwendig? Industrielle und zivile Anwendungen
- Was sind Ablass und Zufuhr in Kühltürmen?
- Wie pflegt und behandelt man das Kühlwasser?
KÜHLTÜRME: WAS SIND SIE UND WOZU DIENEN SIE?
Kühltürme sind Anlagen, die ein natürliches Prinzip auf einfache sowie ebenso auf effektive Weise optimal nutzen. Wir sprechen dabei von der erzwungenen Verdunstung eines minimalen Prozentsatzes der Wassermenge. Dieses Wasser zieht, im Vergleich zur Hauptmasse, beim Statuswechsel zu Dampf, die Energie aus der nicht verdunsteten Wasserdurchflussmenge (Verdunstungswärme).
Der Prozess der Verdunstungskühlung ist zum einen einfach und zum anderen alt. Die alten Terracotta-Amphoren, poröses Material, ließ Wasser in minimalen Mengen nach außen ausschwitzen. In dieser Form wurde ein Verdunstungsprozess durchgeführt und das Wasser im Innern blieb auch bei hohen Aussentemperaturen kühl.
Kühltürme verwenden latente Verdunstungswärme
Kühltürme können den Prozess des Wasser-/Luftwärmeaustausch noch besser durchführen. In ihnen tritt das Verdunstungs-Phänomen durch die Verwendung einfacher und effektiver Komponenten auf. Im Allgemeinen benötigen sie kaum Wartung. Zum besseren Verständnis, wie Wärmeableitung auftritt, muss man zwei Konzepte kennen:
- Fühlbare Wärme. Die Menge an Kalorien, die einem physischen Element (z. B. einer Batterie mit Flossen) zur Temperaturänderung hinzugefügt oder entzogen wird.
- Latente Wärme. Diese basiert grundsätzlich auf der Zustandsänderung, die eine Substanz aufgrund von Wärmegewinn oder -verlust erleiden kann. Insbesondere bei Verdunstungskühlsystemen spricht man von latenter Verdunstungswärme.
Ein Kühlturm muss Wasser den größten Kontakt mit Luft ermöglichen, damit der Wärmeaustausch optimal ist. Dies wird durch eine Wärmeaustauschoberfläche erreicht, die speziell für diesen Zweck ausgelegt ist. Diese Austauschfläche, die Füllung, muss entsprechend der Qualität des zu kühlenden Wassers, der möglichen Flüssigkeiten mit Schwebestoffen, ihrer Effizienz und der Einfachheit der späteren Wartung ausgewählt werden.
Was ist die Feuchtkugeltemperatur?
Die Feuchtkugeltemperatur ist definiert als die Temperatur, die wir messen würden, wenn die Luft eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % hätte. Wenn der Kolben eines Thermometers mit Wasser befeuchtet wird, sinkt die Temperatur des Thermometers durch die Verdunstung des Wassers.
Je niedriger die relative Luftfeuchtigkeit ist, desto niedriger ist die Feuchtkugeltemperatur im Verhältnis zur Umgebungstemperatur. Die Feuchtkugeltemperatur ist ein genauer Anhaltspunkt für die theoretisch vom Kühlturm erreichbare Austrittstemperatur. Unter Ausnutzung dieses Konzepts können Kühltürme Flüssigkeiten weit unter die Umgebungstemperatur abkühlen.
Die Energieeffizienz von Kühltürmen
Aufgrund ihrer konstruktiven Einfachheit in Kombination mit einer hohen Effizienz in Bezug auf das Kostenverhältnis pro kW-Verlustleistung, bleiben die Kühltürme heute das am häufigsten verwendete Kühlgerät sowohl im zivilen als auch insbesondere im industriellen Bereich.
Dies liegt daran, dass es keine beweglichen Komponenten gibt, ausser einem Ventilator, der sowohl saugend als auch drückend installiert werden kann. Zudem ist der Stromverbrauch im Vergleich zu anderen Kühlsystemen tatsächlich gering.
Gerade bei großen abzuführenden Wärmemengen (z. B. in Stahlwerken, Chemieanlagen, Kraftwerken) sind Kühltürme konkurrenzlos in Bezug auf die verbrauchte elektrische Leistung und den geringen Platzbedarf für ihre Installation. Gleichzeitig liegen die erreichbaren Temperaturen bezogen auf das Kühlwasser deutlich unter der Umgebungstemperatur. Umgekehrt unterliegen Systeme ohne Verdunstung stark dieser Temperaturgrenze, da Verdunstungssysteme mit latentem Verdunstungsaustausch arbeiten (die untere Grenze, die Wasser erreichen kann, ist die Feuchtkugeltemperatur).
VERGLEICH DER KÄLTETECHNOLOGIEN: TROCKENKÜHLER, ADIABATISCHE VERDUNSTUNGSKÜHLER UND KÜHLER.
Wenn Sie ein industrielles oder ziviles Kühlsystem auswählen müssen, sollte die Wahl unter Berücksichtigung einiger grundlegender Punkte getroffen werden, die das bestgeeignete System garantieren. Zu berücksichtigen sind insbesondere sowohl die geforderten Betriebstemperaturen als auch die Umgebungsbedingungen am Ort der Installation.
Trockenkühler, oder dry coolers, beruhen auf dem Austausch von fühlbarer Wärme. Der Grenzwert wird in diesem Fall durch die Temperatur der Kühlflüssigkeit, d.h. der Umgebungsluft, festgelegt. Bei dieser Art der Kühlung können Mindesttemperaturen von etwa 5 °C über der Umgebungstemperatur erreicht werden.
Adiabatischen System kombinieren Luftkühlung mit einer geringen Wasserverdunstung, wodurch sie Kühltemperaturen ähnlich der Umgebungstemperatur erreichen können. Wenn große Wassermengen gekühlt oder die Temperatur erheblich gesenkt werden muss, ist die beste Lösung ein Kühlturm. Damit lässt sich eine Abkühlung von etwa 3 °C über der Feuchtkugeltemperatur erreichen. Im Vergleich zu Optionen wie einem Trockenkühler oder einem Adiabatischen System können mit dem Kühlturm viel niedrigere Temperaturen erreicht werden. All dies hilft uns, zu klären, dass es kein Kühlsystem „gut für alle Stationen“ gibt. Eine angemessene Auswahl zu treffen, basiert auf Entwurfsanforderungen und Umgebungsbedingungen. Dies bedeutet, den Energieverbrauch zu optimieren und den Raum mit Systemen unter Bedingungen zu reduzieren.
KÜHLTÜRME: GRÖßE UND KOMPONENTEN
Wir wissen, was Kühltürme sind und welches physikalische Prinzip sie anwenden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Wir werden nun ihr Bauverfahren und, was noch wichtiger ist, die Kriterien, nach denen sie dimensioniert werden, untersuchen.
Wie wählt man die korrekte Kühlturmgrösse: Ausschlaggend sind die Temperatur und die Feuchtkugeltemperatur
Die Wahl der korrekten Kühlturmgrösse erfolgt unter Berücksichtigung einiger grundlegender Parameter:
- Beseitigung der Wärmeenergie
- Wassereingangstemperatur
- Gewünschte Wasserausgangstemperatur
- Thermohygrometrische Bedingungen, d.h. Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen des Installationsort.
Diese letzte spezifische Information ist entscheidend für die richtige Grössenauslegung. Tatsächlich ermöglicht diese eine exakte Erörterung der Feuchtkugeltemperatur. Diese legt die „ungünstigsten“ Umgebungsbedingungen des Aufstellungsort dar und definiert die Grenze, zu der das vom Kühlturm gekühlte Wasser tendiert.
Komponenten des Kühlturms und verwendete Materialien
Hauptkomponenten eines Kühlturms:
- Dämm – und Tragstruktur des Kühlturms.
- Wärmetauscherpaket (in Kühltürmen mit offenem Kreislauf) oder Wärmetauscherschlange.
- Axial – oder Zentrifugalventilator: Dies ist das einzige sich bewegende mechanische Gerät.
- Wasserverteilungssystem, das in der Regel aus einer Reihe von Rohren und Düsen besteht. Es ermöglicht die Verteilung des zu kühlenden Wassers in der Füllung (offene Kühltürme) oder über die Austauschspirale (geschlossene Türme).
- Der Tropfenabscheider, der sich unmittelbar vor dem Ventilator befindet. Er hat die Aufgabe, die Wassertröpfchen zurückzuhalten, die sonst vom Luftstrom des Ventilators fortgetragen werden.
ARTEN VON KÜHLTÜRMEN
Die Auswahl der verschiedenen Bauarten und -varianten von Kühltürmen wird in der Planungsphase getroffen. Die Auswahl erfolgt auf Grundlage der geplanten Anwendung oder der Größe der Anlage.
Die häufigsten Variablen, die die Wahl leiten können, sind in breiten Schlägen Folgendes:
- Die abgeleitete Wärmeenergie
- Die Beschaffenheit des zu kühlenden Wassers
- Art des Verfahrens
- Der Kontext, in dem die Installation stattfindet (zivil oder industriell),
- Besondere Installationsanforderungen, z. B. ob es sich um eine Neuinstallation oder einen Austausch handelt.
VERSCHIEDENE KÜHLTURMARTEN
Werksmontierte- und Zellenkühltürme
Modulare Kühltürme können aus Metall oder anderen Materialien hergestellt werden, die weniger „empfindlich“ auf das Vorhandensein von Wasser und dessen mögliche korrosive Wirkung reagieren, wie z. B. Glasfaser. Zellenkühltürme werden aus einer Metallstruktur oder aus stranggepressten Glasfaser- oder sogar Betonprofilen gebaut (klassische hyperbolische Türme von Kernkraftwerken).
Kombinierte Kühltürme mit wassergekühlten Verflüssigern
Verdunstungskühltürme mit geschlossenem Kreislauf sind eine gute Alternative, wenn der Verbraucher „indirekt“ gekühlt werden soll. Mit anderen Worten: Es ist wünschenswert, dass die Flüssigkeit im Kühlkreislauf nicht durch die Luft verunreinigt wird.
Die gleiche Art der indirekten Kühlung kann mit einem Verdunstungskühlturm mit offenem Kreislauf in Kombination mit einem Plattenwärmetauscher oder einem Rohrbündelwärmetauscher erreicht werden. Der Vorteil der ersten Variante besteht darin, dass sowohl die Verdampfungssektion als auch der Glattrohrwärmetauscher, in dem sie arbeitet, in einer Maschine integriert sind. Die Vorteile in Bezug auf Platz und Kosten sind unbestreitbar.
Kühltürme in Kombination mit Wärmetauschern
KÜHLTÜRME: HAUPTANWENDUNGEN FÜR INDUSTRIE UND GEWERBE
Wie am Anfang beschrieben, werden Kühltürme häufig eingesetzt bei:
Kühltürme: die optimale Lösung für hohe Leistungsanforderungen
Alle anderen Kühlsysteme, ob durch Luftströme, adiabatisch oder durch Kälte, stellen eine mögliche Alternative dar, wenn die abzuführende Wärmeleistung relativ gering ist. Um ein Beispiel zu nennen: unter 1 MW. Sie werden jedoch äußerst unwirtschaftlich, wenn es um sehr hohe Leistungen geht, sogar um mehrere MW.
Im industriellen Bereich werden sowohl Kühltürme mit offenem als auch mit geschlossenem Kreislauf eingesetzt. Bei letzteren zirkuliert die zu kühlende Flüssigkeit, bei der es sich immer um Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln kann, in einer Spule aus glatten Rohren, die von außen mit Wasser benetzt ist, das verdampft und der inneren Flüssigkeit Wärme entzieht.
Beispiele für Anwendungsbereiche
Nachfolgend werden beispielhaft einige industrielle oder zivile Anwendungsbereiche aufgeführt, in denen Kühltürme ihre Funktion der Prozesswärmeabfuhr erfüllen.
- Kernkraftwerke, Wärmekraftwerke, geothermische Kraftwerke und Kohlekraftwerke.
- Öl- und Gaswerke: Hier werden häufig große industrielle Kühltürme eingesetzt.
- Raffinerien.
- Kunststoffherstellung und Wärmebehandlung von Metallen (z. B. in Stahlwerken und Gießereien).
- Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
- Klimaanlagen in Zivil- und Industriegebäuden (HVAC Bereich).
- Supermärkte in Kombination mit Kühlgeräten.
- Kleine Produktionsbetriebe wie Eiscafés.
Standard - oder geräuscharme Lösungen
Ein weiteres Element, das die Wahl der am besten geeigneten Bauweise beeinflusst, ist der Installationsbereich. In einem öffentlichen Umfeld (Krankenhäuser, Einkaufszentren, Klimaanlagen) sollte eine Lösung mit geringen akustischen Auswirkungen bevorzugt werden. In diesem Fall sollten Kühlgeräte bevorzugt werden, die geringe Geräuschemissionen aufweisen oder leicht schallgedämpft werden können.
Im Gegensatz dazu werden in Industriegebieten zwar die Geräuschgrenzwerte für die Auslegung angehoben, doch sind sie in der Regel weniger restriktiv. Die Wahl zwischen Radial– und Axialventilatoren ist in diesem Zusammenhang eine wichtige Entscheidung.
Um diese Frage zu beantworten, sollten wir einen Schritt in die Vergangenheit machen. In den letzten Jahren hat sich im zivilen Bereich die Tendenz durchgesetzt, die Wahl auf Kühltürme mit Radialventilatoren zu lenken. Im Gegensatz dazu wurden für industrielle Prozesse Axialventilatoren bevorzugt.
Heute sind Kühltürme mit Axialventilatoren ebenso effizient und leise.
Für jedes System die richtige Lösung: Informationsbeschaffung
Schließlich ist es auch notwendig, die Grenzen der Abmessungen oder andere vorher festgelegte Situationen zu kennen, die eine Auswahl bestimmen können.
Im Falle eines Austauschs kann zum Beispiel ein bestehender Tank oder ein durch die vorherige Installation definierter Raum angepasst werden müssen.
Die verschiedenen Aspekte müssen in der Phase der Datenerhebung zwischen dem Kunden und dem Anbieter besprochen werden. Aufgabe des Lieferanten ist es, eine „beratende“ Rolle gegenüber dem Kunden einzunehmen, um sicherzustellen, dass der Vorschlag aus technischer und wirtschaftlicher Sicht der beste ist.
Wie alle Geräte in einem technischen System erfordern auch Kühltürme ein routinemäßiges und im Falle einer Störung ein außerordentliches Wartungsprogramm.
Aufgrund ihrer extrem einfachen Bauweise erfordern Kühltürme im Allgemeinen keine besondere Aufmerksamkeit, sondern nur die Beachtung einiger sehr einfacher, aber wirksamer Richtlinien, um sie stets in bester Leistung zu halten. Sicherheit und Effizienz gehen Hand in Hand.
Wasserbehandlung im Kühlturm
Die heikelsten Aspekte lassen sich sicherlich auf die Beschaffenheit des zirkulierenden Wassers zurückführen. Das heißt, dass nicht nur auf die Art des zu kühlenden Wassers geachtet werden muss, sondern auch darauf, wie dieses Wasser kontrolliert und aufbereitet wird, damit es sich in physikalisch-chemischer Hinsicht nicht verschlechtert.
Ein sauberer Kühlturm bedeutet eine Effektivität, die daher mit dem Mindestverbrauch maximale Leistung anbieten kann: sowohl in Bezug auf Strom als auch verdampfte und gereinigtes Wasser.
Kühlwasserqualität
Darüber hinaus hat die Art des zu kühlenden Wassers einen großen Einfluss. Sie bestimmt die Auswahl der zu verwendenden Baumaterialien. Wie bereits erwähnt, wird dies auch ein Faktor sein, der die am besten geeignete Füllung bestimmt. Bei besonders aggressivem oder säurehaltigem Wasser sollten rostfreie Materialien oder Glasfasern bevorzugt werden. Letzteres ist von Natur aus unempfindlich gegenüber den meisten chemischen Stoffen.
Wenn das Wasser hingegen durch den Prozess verunreinigt werden kann und Schmutz oder andere Verunreinigungen verschiedener Art, einschließlich organischer Verunreinigungen, mit sich führt, muss die Art des Füllstoffs bewertet werden. Unter den verschiedenen verfügbaren Typen finden wir unter anderem bewuchshemmende, nicht gekreuzte Vertikalkanäle und die klassischen „Splash“-Pakete, die auf dem Prinzip der Tröpfchenmitnahme beruhen.
Kühlturmsäuberung und Abschlämmungen
Wie bereits erwähnt, erfüllen Verdunstungskühltürme ihren Zweck der Wasserkühlung durch die erzwungene Verdunstung einer bestimmten Wassermenge. Die Menge des verdampften Wassers ist direkt proportional zur abzuführenden Wärmemenge. So geht pro 600 Kcal abgeführter Wärmelast etwa 1 Liter Wasser verloren.
Das zur Kühlung verdampfte Wasser muss in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Das verdunstete Wasser ist eine Folge der abgeführten Wärme und kann daher nicht quantitativ verändert werden. Wasser, das als „gereinigt“ definiert ist, kann verändert werden und hat die Funktion, die Menge an gelösten Salzen innerhalb bestimmter Grenzen zu halten.
