Kühltürme: Beschreibung, Darstellung der Funktionsweise, Wartung

Beim Betrieb aller Industrieanlagen – wie z. B. Klima- und Kühlungsanlagen bzw. Anlagen zur Energieerzeugung  – entsteht Wärme in unterschiedlicher Menge. Diese Restwärme hat normalerweise einen niedrigen Energiegehalt und kann somit nicht profitabel genutzt werden. Die Abwärme muss daher an die Umgebung abgegeben werden.

Hierfür sind verschiedene Lösungen möglich. In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit den Kühltürmen, die heutzutage als energieeffizienteste Technologie auf dem Markt gelten.

von Giorgio Lorenzetti, Technical Advisor bei MITA Cooling Technologies

1. Nasskühltürme und Kühltürme: Definition und Funktionsweise

Im folgenden Abschnitt finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen:

• „Was sind Kühltürme, wozu braucht man sie und wie funktionieren sie?“
• „Wo und wozu kommen sie zum Einsatz? Warum sind sie wichtig?“
• „Wie werden ‚Kühltürme‘ und ‚Nasskühltürme‘ definiert?“
• „Was bedeutet ‚Nasskühlung‘“?

1.1. Nasskühltürme: Beschreibung und Einsatzmöglichkeiten

Nasskühltürme bzw. Kühltürme nutzen das einfache natürliche Grundgesetz der notwendigen Verdampfung eines kleinen Teils der Wasserdurchflussmenge durch Wärmeentzug. Dabei wird die Wassermenge abgekühlt (Verdustungskälte).

Das altbewährte Prinzip der Verdustungskühlung fand Anwendung bereits bei Terrakotta-Amphoren: Dieses offenporige Material lässt nur einen kleinen Teil des Wassers durchdringen. Dabei findet die Verdustungskühlung statt und der Wasserinhalt bleibt auch bei höherer Umgebungstemperatur kühl.

1.2. Kühltürme nutzen die Effekte der Verdustungskälte

In den Nasskühltürmen bzw. Kühltürmen erfolgt eine besondere Form des Wärmeübertragens durch den Luft-Wasserkontakt. Der Verdunstungsvorgang wird durch effiziente, einfache und normalerweise wartungsarme Komponenten erzwungen.

Um ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie die Wärme entzogen wird, müssen zwei Begrifflichkeiten erläutert werden.

• Sensible Wärme. Sensible Wärme ist die thermische Energie, die bei Zufuhr oder Abfuhr in einen Körper (beispielsweise in einen Lamellenwärmetäuscher) die Temperatur beeinflusst.
• Latente Wärme. Latente Wärme beruht auf dem temperaturabhängigen physikalischen Zustand eines Stoffes. Wasser geht von einem flüssigen in einen festen (Eis) Aggregatzustand über, wenn kurz vor dem Gefrierpunkt Wärme entzogen wird. Wird Wasser Wärme zugeführt, dann geht dieses bei der Siedetemperatur von einem flüssigen in einen dampfförmigen Zustand über. Als latente Wärme bezeichnet man also die zum Zweck des Phasenüberganges aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Bei den Nasskühlsystemen spricht man insbesondere von Verdustungskälte.

Zur optimalen latenten Wärmeübertragung bieten gut konzipierte Nasskühltürme die größtmögliche Fläche für den Luft-Wasserkontakt.

Die Wärmeübertragung erfolgt im Nasskühlturm durch den Luft-Wasserkontakt über eine breite Kühlturmfläche. Das wird mithilfe eines dafür ausgelegtes Wärmetauschpakets und eines Ventilators erreicht, der die nach bestimmten Parametern berechnete erforderliche Kühlluft fördert. Die Verwendung solcher Komponenten wird näher erläutert.

1.3. Kühlgrenztemperatur

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise eines Kühlturmes soll nun das Grundprinzip eingeführt werden, auf dem Nasskühlung und insbesondere Kühltürme beruhen, und zwar die Feuchtkugeltemperatur.

Kurz gesagt: Die Kühlgrenztemperatur beschreibt die „ungünstigsten“ Temperaturbedingungen und die schlechtesten Werte der relativen Feuchte am Aufstellort. Sie stellt also einen Referenzwert für die theoretisch erreichbare Austrittstemperatur des Kühlturmes dar.

1.4. Effizienz der Kühltürme

Dank der Einfachheit der Konstruktion und des optimalen Verhältnisses zwischen Preis und Kühlleistung sind Nasskühltürme nach wie vor die häufigste Art der Kühlung im zivilen und insbesondere im industriellen Bereich. Es gibt nur eine einzige bewegliche Einheit, nämlich einen Ventilator, der sowohl saugend als auch drückend sein kann. Zugleich ist der Energieverbrauch im Vergleich zu ähnlichen Lösungen sehr gering.

Vor allem bei großen abzuführenden Wärmemengen (z. B. bei Stahlwerken, Chemieanlagen, Kraftwerken) stehen Nasskühltürme in puncto elektrische Leistung und Platzbedarf konkurrenzlos da.

Dabei darf man nicht vergessen, dass es hier im Gegensatz zu den Lamellenwärmetauschern möglich ist, Kühlwassertemperaturen zu erreichen, die weit unterhalb der Umgebungslufttemperatur liegen. Das ist realisierbar, weil die Verdunstungskühler die latente Verdustungswärme zur Kühlung nutzen (die minimal erreichbare Temperatur, entspricht der Kühlgrenztemperatur).

1.5. Verdunstungskühler, Trockenkühler, adiabatische bzw. Naturzugkühler: ein Technologien-Vergleich

Beim Bau einer Kühlanlage für die industrielle bzw. zivile Nutzung sollten einige Faktoren berücksichtigt werden, damit die Entscheidung auf das passende System fällt. Besonders relevant sind dabei die Anforderungen an die Betriebstemperatur und die Umgebungstemperatur am Aufstellort.

Sollte es Ihnen wichtig sein, dass die Temperatur der Kühlflüssigkeit unter der Umgebungstemperatur liegt, ist ein Nasskühler die beste Wahl. Hier entspricht die minimal erreichbare Flüssigkeitstemperatur der Kühlgrenztemperatur der Luft.

Die sensible Wärmeübertragung beim Trockenkühler ist dahingegen viel weniger effizient als die latente Verdustungswärmeübertragung. Da stößt die Temperatur der Kühlflüssigkeit, sprich der Luft, an ihre Grenzen. Sollte die Flüssigkeit nur auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt werden, kommt ein Luftkühler zum Einsatz.

Sollte aber die Flüssigkeitstemperatur etwas kleiner oder gleich wie die Umgebungstemperatur sein, käme eine dritte Option infrage: ein adiabatisches System.

Diese Einleitung soll verdeutlichen, dass es bei Kühlsystemen kein Patentrezept gibt. Eine projektspezifische Lösung, die die Umgebungsbedingungen berücksichtigt, verbessert die Energienutzung, optimiert den Platzbedarf und lässt die Systeme so effizient wie möglich arbeiten.

Kühlaggregate sind eine Technologie für sich. Zur Kälteerzeugung nutzen solche Vorrichtungen weder Luft noch Wasser, sondern mechanische Bauteile (Kompressoren, Verdampfer).

2. Kühltürme: Auslegung und Komponenten

Wir haben die Funktion eines Nasskühlturmes beschrieben und dessen (elementares) physikalisches Grundprinzip zur Gewährleistung hoher Leistungsfähigkeit geschildert.

Schauen wir uns die Bauart und insbesondere die Auslegung an.

2.1. Kühlgrenztemperatur als entscheidender Faktor bei der Dimensionierung des Kühlturms

Die Dimensionierung der Nasskühltürme hängt von einigen wichtigen Parametern ab, u.a.

• der abzuführenden Wärmeleistung,
• der Eintrittswassertemperatur,
• der gewünschten Wassertemperatur am Ausgang
• sowie der Temperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt am Aufstellort.

Sie sind ausschlaggebend für die korrekte Dimensionierung, denn anhand dieser Parameter wird die Kühlgrenztemperatur berechnet. Diese ist – wie bereits erwähnt – die „tiefste“ Umgebungstemperatur am Aufstellort, auf die sich das Kühlwasser abkühlen kann.

Bei diesen Rahmenvorgaben muss die für die Wärmedissipation aus der Anlage vorgesehene Auslegungstemperatur gewährleistet werden. Nach Festlegung der Referenzwerte für die Referenzkühlgrenztemperatur (diese liegt normalerweise circa 10°C unterhalb der Umgebungstemperatur) gilt Folgendes: Je kleiner die angeforderte Temperaturannäherung der Kühlgrenztemperatur an die Temperatur des Kühlwassers am Ausgang, desto größer der Kühlturm.

Typischerweise werden die meisten modernen Anlagen für eine Temperaturannäherung von 2-3°C bis 5-6°C ausgelegt.

2.2. Kühltürme: Bauteile und Materialien

Kommen wir nun zu den Hauptbauteilen eines Kühlturms mit offenem bzw. geschlossenem Kühlkreislauf.

• Das Kühlturmgehäuse besteht aus Blechtafeln, aus Glasfaserkunststoff oder aus beiden Materialien. Bei den großen bzw. hyperbolischen Kühltürmen kommt auch Beton zum Einsatz.
• Das Wärmetauschpaket (bei offenem Kühlkreislauf) bzw. der Lamellenwärmetauscher meistens als Flachrohr-Wärmetauscher (bei geschlossenen Kühlkreisläufen) bilden das Herzstück des Nasskühlturms. Darüber findet die Wärmeübertragung zwischen Wasser und Luft statt.
• Der Axial- oder Radialventilator ist das einzige bewegliche Bauteil, das für die Wasserverdunstung und damit für die Kühlung verantwortlich ist. Um das beste Ergebnis bei geringem Ressourceneinsatz zu erzielen, ist es wichtig, den richtigen Ventilator entsprechend den Konstruktionsbedingungen auszuwählen. Die Kriterien hierfür werden im Folgenden näher erläutert.
• Die Wasserverteilung erfolgt normalerweise über ein Rohrsystem mit Verteildüsen. Das zu kühlende Wasser fließt durch das Wärmetauschpaket (bei offenem Kühlkreislauf) bzw. durch den Lamellenwärmetauscher (bei geschlossenem Kühlkreislauf).
• Der Tropfenabscheider befindet sich unmittelbar vor dem Ventilator und dient zur Ableitung der Flüssigkeitstropfen, die ansonsten vom Ventilator-generierten Luftstrom mitgerissen werden würden.

Aufgrund der Eigenschaften des abzukühlenden Wassers lassen sich sowohl die verwendeten Materialien als auch – wie bereits erwähnt – das geeignete Wärmetauschpaket bestimmen. Korrosionsbeständiges Material und Glasfaserkunststoff sind bei der Berührung mit aggressivem bzw. saurem Wasser besser geeignet. Glasfaserkunststoff weist hohe Widerstandsfähigkeit gegen die meisten aggressiven Chemikalien auf.

Sollten schädliche, gar organische Stoffe potentiell in das Prozesswasser gelangen bzw. sich Partikeln (Trübung) dort ablagern, muss das anwendungsspezifische Wärmetauschpaket eingesetzt werden: Wärmetauscher mit Antifouling-Beschichtung, Wärmetauscher mit vertikal nebeneinanderstehend angeordnetem Rohrbündel, Wärmetauscher in der „Splash Pack“-Ausführung (basierend auf dem Prinzip der Tropfenzersplitterung).

2.3. Entleerung und Nachfüllen des Wassers

Wie bereits angeführt, erfolgt die Wasserabkühlung in den Nasskühltürmen durch Verdunstung einer bestimmten Wassermenge. Die verdunstete Wassermenge wächst direkt proportional mit der Wärme, die abgeführt werden muss. Insbesondere gilt: Bei 600 Kcal abgeführter Wärme verdunstet ca. 1 Liter Wasser.

Diese physikalische Formel ist unbestreitbar und ist eine der wenigen kniffligen Fragen bei der Nasskühlung, die im Vergleich zu anderen Kühlsystemen durchaus gut aufgestellt ist.

Das verdunstete Wasser soll nun in den Wasserkreislauf zurückgelangen. Bei diesem Schritt soll die Wasserqualität so beeinflusst werden, dass keine Verunreinigungen und Ablagerungen im Kreislauf entstehen. So lösen sich die im Wasser enthaltenen Salze auf und führen zu einer allmählichen Aufkonzentration der Wasserinhaltsstoffe. Die Einhaltung gewisser Grenzwerte wird daher unerlässlich. Hierfür reichen normalerweise eine Wasserbehandlung mit Kalk-Korrosionsschutzmittel und eine Teilspülung des Kreislaufwassers.

Da die verdunstete Wassermenge von der abgeführten Wärme abhängig ist, kann man diese Menge nicht direkt beeinflussen. Das „Spülwasser“ kann aber zur Einhaltung des maximalen Salzgehaltes beitragen.

Der Spülvorgang kann analog zur Verdunstung als „empirisches“ Kriterium (Konzentrierungsfaktor „2“) betrachtet werden. Er kann aber auch anhand einer kontinuierlichen Überprüfung der Wasserqualität insb. des Leitfähigkeitswertes im Wasserkreislauf überwacht werden.

Durch geeignete Behandlungen mit Kalk-Korrosionsschutzmittel kann man den Leitfähigkeitswert beeinflussen und den Spülvorgang richtig steuern – und zwar wassersparend. Vielmehr bedeutet das: Die Anlage bleibt effizient, die Wartungsintervalle sind länger und der Austausch von Verschleißteilen wird seltener.

Am besten wäre es also, von „Komplettlösungen“ für Ihre Anlagen zu profitieren, d. h. Nasskühlturm und Einrichtungen für Steuerung und Wassermanagement aus einer Hand. Noch besser: Mit Komplettlösungen vom Hersteller können Sie sicher sein, dass diese den bautechnischen und maschinenspezifischen Anforderungen entsprechen.

3. Kühltürme: Anwendungsbereiche für die industrielle und zivile Nutzung

Bereits am Anfang wurden die Bereiche aufgelistet, in denen Kühltürme zum Einsatz kommen, also:

• in der Energieerzeugung,
• in der zivilen Klimatechnik,
• in der Kühlungstechnik
• und in Industrieanlagen.

In letzteren finden die meisten Nasskühltürme Anwendung, und zwar bei Anlagen im mittleren und hohen Leistungsbereich.

3.1. Nasskühltürme – Die beste Lösung bei hohen Leistungen

Ob adiabatische Kühlsysteme, Luftkühlsysteme oder Kühlaggregate – alle Kühlsysteme bieten eine gute Alternative im niedrigen Leistungsbereich (bis 1 MW) an. Insbesondere bei sehr hohen Leistungen (mehrere MW) ist der Betrieb jedoch sehr unwirtschaftlich.

Bei Industrieanlagen kommen Kühltürme sowohl mit offenem als auch mit geschlossenem Kühlkreislauflauf zum Einsatz. Bei dieser letzten Variante erfolgt die Flüssigkeitskühlung (Wasser bzw. Glykol-Wassergemische) durch die Verdunstungskühlung der Außenflächen des Rohrschlangensystems.

3.2. Kühltürme in Verbindung mit Wärmetauscher

Nasskühltürme mit geschlossenem Kühlkreislauf sind eine gute Option bei „indirekten“ Kühlsystemen, bei denen eine Verunreinigung der Prozessflüssigkeit durch Luft vermieden werden soll.

Ein indirektes Kühlsystem kann ebenso durch die Kombination von einem Kühlturm mit offenem Kühlkreislauf und einem Plattenwärmetauscher bzw. einem Rohbündelwärmetauscher erreicht werden. Geringer Platzbedarf, geringe Kosten: Dieses System hat den Vorteil, dass die Nasskühlung und der angebundene Lamellenwärmetauscher in derselben Anlage sitzen.

3.3. Kühltürme mit Verflüssiger in Kältemaschinen

Nasskühltürme kommen ja bei zivilen Kühlgeräten aber vor allem in Industrie- und Gewerbelösungen zum Einsatz. Diese sind insbesondere zusammen mit dem Verflüssiger bei den Absorptionskältemaschinen zu finden.

3.4. Anwendungsbeispiele

Im Folgenden finden Sie typische Anwendungsbeispiele für den industriellen und zivilen Gebrauch von Kühltürmen zur Abfuhr von Prozesswärme:

• Atom-, Wärme-, Geothermie- und Kohlenkraftwerke.
• Öl- und Gasindustrie: Hier werden oft imposante Kühltürme verwendet.
• Raffinerien.
• Kunststoffindustrie und Anlagen zur Wärmebehandlung von Metallen (z.B. Stahlwerke und Gießereien).
• Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
• Klimaanlagen in Gewerbe- und Zivilräumen (bei HLK-Bereich).
• Supermärkte (in Kombination mit Kältemaschinen).
• Kleine Produktionsanlagen, beispielsweise bei Eisdielen.

4. Bauarten der Kühltürme

Widmen wir uns nun den verschiedenen Bauarten der Kühltürme. Während der Konstruktion wird die bestmögliche Lösung für Ihre Anwendung bzw. für die Größe Ihrer Anlage empfohlen.

Folgende Kriterien sind normalerweise dabei ausschlaggebend:

• abzuführende Wärmeleistung,
• Qualität des Kühlwassers,
• Prozesstyp,
• Anlagearten (Zivil- oder Industrieanlage),
• besondere Anforderungen, wie z.B. Neukonstruktion bzw. Ersatz einer bestehenden Anlage.

4.1. Vormontierte und vor Ort aufgestellte Kühltürme

In Anbetracht der abzuführenden Wärmeleistung fällt die Wahl auf vormontierte Nasskühltürme („Package“-Variante) oder auf die „Field erected–Variante“, die vor Ort aufgestellt wird.

Die erste Variante besteht aus Metall oder aus weniger wasserempfindlichen und somit korrosionsbeständigeren Materialien wie Glasfaserkunststoff. Die zweite Variante basiert auf einer Metallstruktur oder wird mit pultrudierten Profilen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und sogar aus Beton hergestellt. Ein Beispiel dafür: die hyperbolischen Kühltürme der Atomkraftwerke.

4.2. Standard-Lösungen und geräuscharme Lösungen

Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Wahl der besten Lösung ist die infrage kommende Anlagenart: Geräuscharme Kühlsysteme kommen eher bei Zivilräumen (z. B. Krankenhäusern, Einkaufszentren, Klimaanlagen) zum Einsatz. Für solche Anwendungen werden geräuscharme Anlagen bzw. Maschinen in dämpfbarer Ausführung entworfen.

Bei einer industriellen Nutzung der Anlage sind die vorhandenen Angaben zur Lärmemission weniger verbindlich. Da sollen die allgemeinen Spezifikationen gewährleistet werden.

4.3. Sind Axial- oder Zentrifugalventilatoren besser?

Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir einen Schritt zurückgehen.

Früher waren Zentrifugalventilatoren für Kühltürme im zivilen Bereich gang und gäbe. Bei industriellen Prozessen waren Axialventilatoren die beste Wahl.

Heutzutage sind Nasskühltürme mit Axialventilatoren genauso effizient und geräuscharm, sodass eine klare Differenzierung nicht mehr möglich ist. Dies wird in diesem Artikel über Kühltürme mit einem Radialventilator oder einem Axialventilator erläutert.

4.4. Zunächst Informationen sammeln: für jede Anlage die beste Lösung.

Zu guter Letzt sollen Größenbeschränkungen und sonstige vorhandene Baubesonderheiten bei der Wahl mitberücksichtigt werden.

Im Falle einer Ersatzanlage kann es vorkommen, dass das alte Kühlturmbecken noch vorhanden ist oder dass der vorgegebene Grundriss maßgebend ist. Seltener gelten ähnliche Vorgaben für das Areal, wo die Kühlungsanlage aufgestellt werden soll.

All diese Aspekte sollten während der Informationserfassung von Auftraggeber und Auftragnehmer gründlich analysiert werden. Der Auftragnehmer betreut seinen Kunden bei den wirtschaftlichen und technischen Aspekten und empfiehlt ihm die bestmögliche Lösung für sein Vorhaben.

5. Wartung und Wasseraufbereitung

Nasskühltürme erfordern – wie jedes Gerät einer Anlage – Maßnahmen zur planmäßigen bzw. zur außerordentlichen Instandhaltung in Störungsfällen.

Dank ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen Wartungsfreundlichkeit werden Kühltürme anhand effizienter und intuitiver Richtlinien immer auf dem höchsten Stand der Technik gehalten.

Sicherheit und Energieeffizienz gehen da Hand in Hand.

5.1. Die Aufbereitung des Kühlturmwassers

Der Wasserqualität im System ist besondere Beachtung zu schenken. Ausschlaggebend ist nicht nur die Qualität, sondern auch die Überprüfung und die Kühlung des Kühlmediums, damit das Wasser seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht verliert.

Wenn das Wasser gut aufbereitet wird, können Ablagerungen und Beläge nicht nur im Kühlturm, sondern auch in der gesamten Anlage verhindert werden. Somit werden Algenbildung und mikrobieller Bewuchs minimiert und dabei das Vermehren in kritischer Menge der Legionellen beeinflusst.

Ein sauberes Verdunstungskühlsystem arbeitet immer effizient und verbindet hohe Leistung mit geringem Energie- und Wassereinsatz im Verdunstungs- und Spülprozess.

5.2. Best Practice aus der Welt der Kühlturmhersteller

Ein ordnungsgemäßer Umgang mit der Anlage ist vorteilhaft für alle Bauteilen im Nasskühlturm, denn es bedeutet eine längere Lebensdauer der Wärmetauschpakete und einen höheren Wirkungsgrad der Motoren und der Ventilatoren dank der besseren Wasserqualität. Aggressives Wasser kann nämlich zum Verschleiß empfindlicher Teile führen.

Für einen ordnungsgemäßen Umgang mit der Anlage beachten Sie die Vorgaben und Spezifikationen des Herstellers bei den Inspektions- und Wartungsintervallen sowie den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Prozesswassers. In den Bedienungsanleitungen des Herstellers sind oft allgemeine Richtlinien und Anlagen-übergreifende „bewährte Praktiken“ enthalten, die bei allen Systemen mit Nasskühltürmen Anwendung finden. Namhafte Einrichtungen hierfür sind Cooling Technology Institute und Assoclima (Confindustria).

Es handelt sich dabei um unabhängige Empfehlungen zum optimalen Umgang mit der Anlage.