Kühlturm

Physikalisches Prinzip:
Verdunstung des Kühlwassers

Der Kühlprozess startet mit dem Einströmen des Warmwassers und des Luftstroms. Der Luftstrom tritt durch Lamellen, die Verunreinigungen und das Austreten von Kühlwasser vermeiden, in den Kühlturm ein. Die einströmende Luft verteilt sich anschließend auf die Fläche der Kühleinbauten und bewegt sich durch den erzeugten Druck der Ventilatoreinheit durch den Kühlturm. Die Ventilatoren transportieren die Luft dabei entweder saugend oder drückend durch den Kühlturm. Das Warmwasser gelangt über Sprühdüsen in den Innenraum. Die Aufgabe der Sprühdüsen ist die gleichmäßige Verteilung des Wassers im Kühlturm, um die maximale Kühlwirkung zur erreichen (Erens, Reuter 2013).

An den Kühleinbauten erfolgt der Großteil der Wärme- und Stoffübertragung. Sie sind meistens aus Kunstoffen, Metallen oder Holz produziert. Durch die verschiedenen Strömungsrichtungen von Wassertropfen und Luft, sowie der Bauweise der Kühleinbauten entsteht ein intensiver Kontakt zwischen Wasser und Luft, der die Abkühlung des Wassers begünstigt (Maurer 2011). Zum Abschluss tropft das abgekühlte Wasser entgegen der Zuluft in das Kühlwasserbecken. Das Kühlwasserbecken dient dazu gekühltes Wasser aufzufangen und zu speichern.

Hybride Kühltürme vereinen Elemente von Nass- und Trockenkühltürmen. Analog zu diesen Kühlturmtechnologien, wird warmes Kühlmedium durch Wärme- und Stoffübergang an die Umgebung abgeführt. Je nach Betriebsweise geschieht das entweder über die reine luftseitige Übertragung (Freie Kühlung, Trockenbetrieb) oder durch zusätzliches Versprühen von Kühlwasser (Sprühbetrieb). Dadurch kann der Betrieb individuell an den aktuellen Kühlbedarf angepasst werden.

Je nach Betriebsweise sind die elektrisch betriebenen Komponenten (Ventilator, Kühlwasserpumpe) entsprechend geregelt:

Entsprechend wirkt sich die Betriebsweise auf die notwendige elektrische Leistungsaufnahme des Kühlturms aus.

Typische Wärmequellen:

• Warmes Kühlwasser
• Außenluft
• relative Luftfeuchte

Vereinfachte Merkelsche Hauptgleichung:

Die Masse des verdunstenden Wassers muss gleich der Zunahme der Wassermenge der Luft sein und die entzogene Wärme des Wassers muss der aufgenommenen Wärmemenge des Luftstroms entsprechen. Dadurch ergibt sich obige Energiebilanz.
Unterstützt kann der obige Effekt, in dem der Luftstrom durch einen Ventilator geregelt wird, dessen Leistungszunahme wie folgt beschrieben werden kann:

Abhängig von der angestrebten Kühlwassertemperatur und den Umgebungsbedingungen.
(Maurer 2011)

Bei offenen Kühltürmen wird zwischen Naturkühltürmen und Ventilatorkühltürmen unterschieden. Geschlossene Kühltürme arbeiten analog bspw. zu Kompressionskältemaschinen und werden daher an dieser Stelle nicht weiter thematisiert.

In Verbindung mit FU geregelten Pumpen und Ventilatoren können sowohl einzelne als auch miteinander verschaltete Kühlturmverbunde hinsichtlich ihres Energie- und Wasserbedarfs optimiert werden.

Vorteile

• Mittlerer Temperaturbereich
• Mittlerer Energieverbrauch
• Geringer Wasserverbrauch
• Geringe Umweltauswirkungen
• Gute Einsetzbarkeit in wärmeren Klimazonen
• Geringe Schwadenbildung
• Sehr gute Regelbarkeit

Nachteile

• Hohe Betriebskosten
• Höherer Invest ggü. anderer Kühlturmtechnologien
• Zusätzliche Aufbereitung des Kühlwassernotwendig
• Wartungsplanung zur Vorbeugung von Verunreinigungen

(Berger, Eisenhut 2012)

Weite Verbreitung zur Kühlung unterschiedlichen Produktionsmaschinen oder Querschnittstechnologies wie z.B. Kompressoren in unterschiedlichen Industriezweigen entweder als einzelner Kühlturm oder in Form eines Verbundes bestehend aus mehreren Kühltürmen.

• Berger, H, Eisenhut, T. (2012): Energieeffiziente Kühlsysteme, Umweltbundesamt GmbH, Wien
• Erens, P. J., Reuter, H. C. R. (2013): N4 Kühltürme, in: VDI-Wärmeatlas, Springer Verlag, Berlin S. 1655–1674
• Maurer, T. (2011): Hintergrundinformationen zur Merkel-Zahl, www.technikerexpertise.de, 16.12.2016