Trockenkühler: ein kompletter Leitfaden zur industriellen Luftkühlung

Ein Artikel über die Entdeckung einer einfachen Kühltechnologie, die von Kunden aus der Industrie und der zivilen Klimatechnik stark nachgefragt wird: Trockenkühler, , oder Trockenkühlsysteme. Es handelt sich um Lösungen mit geringen Anschaffungskosten und geringem Wartungsaufwand, die jedoch bestimmte Ausgangstemperaturen der zu kühlenden Flüssigkeit und manchmal große Aufstellflächen erfordern.

Schauen wir uns im Detail an, was Trockenkühler sind, wie sie funktionieren und wie sie aussehen.

1. Einführung in Trockenkühler

Trockenkühler beruhen auf einem einfachen, aber wirksamen Prinzip: der Konvektionskühlung. Die Außenluft wird von einem oder mehreren Ventilatoren gefördert und gedrückt, strömt durch die im Inneren des Trockenkühlers befindlichen „Rippenschlangen“ und nimmt dabei Wärme von der im Inneren fließenden Prozessflüssigkeit auf. Die Luft wird dann in die Umgebung ausgestoßen, wodurch der Kühlkreislauf abgeschlossen wird.

Bevor wir fortfahren, noch ein paar Anmerkungen zur Terminologie. Trockenkühler werden häufig auch als Luftkühler bezeichnet, da sie ausschließlich mit Luft als Trägerflüssigkeit betrieben werden; die Begriffe sind daher austauschbar. Es ist auch nicht ungewöhnlich, den Begriff Trockenkühlersystem zu lesen.

2. Aufbau und Komponenten von Trockenkühlern

Trockenkühler bestehen aus relativ einfachen Komponenten, die jedoch effektiv zusammenarbeiten, um die Wärme abzuleiten.

1. Geschlossener Kreislauf mit gerippten Wärmetauschern. Das Herzstück des Trockenkühlers ist ein geschlossener Kreislauf, der die zu kühlende Prozessflüssigkeit enthält/durchläuft. Diese Flüssigkeit fließt in Rohrschlangen, die miteinander verbunden sind (über geschweißte Bögen) und in eine Reihe von „Rippen“, d. h. dünne Platten, die ein „Rippenpaket“ bilden (Rippenschlangen), eingesetzt sind.
2. Die Metallrippen auf der Oberfläche des Wärmetauschers vergrößern die Wärmeaustauschfläche mit der Luft und maximieren so die Kühlung, d. h. die Wärmeübertragung von der Flüssigkeit an die äußere Umgebung. Die Materialien, Dicken und Geometrien der Rippenregister werden je nach den Eigenschaften des zu kühlenden Mediums und den spezifischen Anforderungen festgelegt.
3. Ventilatoren. Leistungsstarke Ventilatoren saugen Luft aus der Umgebung an und drücken sie durch die gerippten Wärmetauscher. Die Geschwindigkeit und der Luftdurchsatz der Ventilatoren sind entscheidend für eine effektive Kühlung des Mediums.
4. Motor. Ein oder mehrere Elektromotoren treiben die Ventilatoren an. Moderne Trockenkühler verwenden hocheffiziente Motoren, um den Energieverbrauch zu senken und den Geräuschpegel niedrig zu halten.
5. Rahmen und Struktur. Der Rahmen und die Struktur des Trockenkühlers müssen wetterfest sein und den Schutz der internen Komponenten gewährleisten. Sie können aus verzinktem oder lackiertem Stahl hergestellt werden, um Korrosion zu vermeiden.

3. Vorteile von Trockenkühlern

Der Einsatz von Trockenkühlern bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich.

• Einfachheit der Konstruktion, Installation und Inbetriebnahme. Aus der Beschreibung geht klar hervor, dass es sich um Maschinen handelt, für deren Montage keine besonderen Hilfsarbeiten erforderlich sind (abgesehen von der Erdung und den erforderlichen elektrischen und hydraulischen Anschlüssen).
• Geringer Wartungsaufwand. Die robuste und dennoch einfache Konstruktion der Trockenkühler erfordert nur sehr wenig Wartung, was langfristig niedrige Betriebskosten garantiert.
• Nur Luft. Für den Betrieb dieser Technologie wird nur Außenluft benötigt, die von einem oder mehreren Ventilatoren bewegt wird. Dies kann natürlich eine Einschränkung für Anwendungen sein, bei denen die zu kühlende Flüssigkeitstemperatur deutlich niedriger sein muss als die der Außenluft.
• Niedrige Betriebskosten. Dies ist natürlich eine Auswirkung der vorherigen Funktionsmerkmale.
• Flexibilität bei der Installation. Trockenkühler können sowohl im Freien als auch in Innenräumen installiert werden und passen sich so den unterschiedlichen Anforderungen an das Anlagenlayout an. Durch ihre Modularität eignen sie sich auch für die Nachrüstung bestehender Anlagen.
• Vielseitigkeit des Betriebs. Anlagen mit Trockenkühlern können das ganze Jahr über betrieben werden, ohne dass es zu Problemen aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen kommt.

4. Ausgangstemperaturen und Berechnung des Potenzials eines Trockenkühlers

Da der Trockenkühler nur Luft als Kühlvektor verwendet, kann dieses industrielle System strukturell Ausgangstemperaturen erreichen, die nicht niedriger sind als die Trockenkugeltemperatur der Luft (d.h. die Temperatur der Außenluft): dies ist etwas, das immer in Betracht gezogen werden muss, um zu wissen, ob dies die Lösung ist, die wir brauchen. Daraus ergibt sich, dass der Trockenkühler die optimale Lösung ist, wenn er ausreicht, um eine Ausgangsflüssigkeit mit einer mittelhohen Temperatur zu erhalten, insbesondere wenn wir an die wärmeren Jahreszeiten denken und wenn wir kein Wasser als Kühlmittel“ verwenden wollen.

Wie wird also ein Trockenkühler richtig dimensioniert? Wie berechnet man die erforderliche Leistung richtig? Hier kommen mehrere Faktoren ins Spiel.

Es ist wichtig, einen Trockenkühler auszuwählen, dessen Luftdurchsatz und Wärmeaustauschfläche für die von der Flüssigkeit abzuführende Wärmemenge geeignet sind. Faktoren wie die Temperatur und der Volumenstrom der Prozessflüssigkeit, die Umgebungstemperatur und die gewünschte Temperaturdifferenz am Auslass spielen bei der Dimensionierung des Trockenkühlers eine wichtige Rolle.

Die Dimensionierung eines Trockenkühlers ist ein Prozess, der eine sorgfältige Bewertung mehrerer Faktoren erfordert, um sicherzustellen, dass das gewählte Gerät die spezifischen Anforderungen der Anwendung erfüllen kann.

Die wichtigsten Schritte sind wie folgt.

1. Berechnung der Wärmelast. Die genaue Wärmemenge, die vom Trockenkühler abgeführt werden muss, muss bestimmt werden. Dies hängt von Faktoren wie der Art der zu kühlenden Flüssigkeit, ihrer Ein- und Austrittstemperatur und den Umgebungsbedingungen ab.
2. Bestimmung des Luftdurchsatzes. Sobald die Wärmelast bekannt ist, wird die Luftmenge berechnet, die zur Abfuhr dieser Wärme erforderlich ist. Dieser Wert ergibt sich aus der gewünschten Temperaturdifferenz zwischen der in den Trockenkühler eintretenden und der aus ihm austretenden Luft.
3. Auswahl des Trockenkühlers. Auf der Grundlage der berechneten Wärmelast und des Luftdurchsatzes wird das am besten geeignete Trockenkühlermodell ausgewählt. Dabei werden Faktoren wie Luftdruckabfall, Luftgeschwindigkeit, Wärmeübertragungsrate sowie Materialien, Dicken und Geometrien der Rippenregister berücksichtigt.

Zusätzlich zu diesen Elementen müssen weitere berücksichtigt werden, um die erforderliche Leistung eines Trockenkühlers richtig zu bemessen und zu berechnen: der verfügbare Platz, der für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderliche Geräuschpegel (unter Berücksichtigung des zivilen oder industriellen Umfelds der Anlage), die Erfordernisse in Bezug auf die zukünftige Wartung des Systems…

Die Variablen sind, wie Sie sehen, zahlreich. Wie in jedem Fall ist ein guter Kühlberater in der Lage, den Kunden zu orientieren, indem er ihm die richtigen Fragen über seine Bedürfnisse stellt. Es gibt auch spezielle Software, die dem Fachmann unter Berücksichtigung der Anwendungsparameter hilft, die Leistung in Bezug auf die Flüssigkeitsaustrittstemperatur zu simulieren und das am besten geeignete Trockenkühlermodell zu bestimmen.

5. Arten von Trockenkühlern

Es gibt verschiedene Arten von Trockenkühlern: horizontal angeordnete mit der typischen „Tischform“ und vertikal angeordnete oder V-förmige. Darüber hinaus können Luftkühler ihre Effizienz durch den Einbau adiabatischer Vorkühlvorrichtungen erhöhen.

Betrachten wir diese drei Typen im Einzelnen.

6. Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Lärmreduzierung mit Trockenkühlern

Gehen wir von einer notwendigen Prämisse aus: Jede Art von industriellen Kühlern, einschließlich Luftkühlern, kann Effizienz (geringerer Ressourcenverbrauch und geringere Umweltbelastung) bringen, wenn sie vom Hersteller und Lieferanten richtig ausgewählt und konfiguriert wird. Wie kann dies erreicht werden? Indem man die Konstruktionsdaten der zu bedienenden Anlage, ihre besonderen Leistungsanforderungen und die verfügbaren Ressourcen genau kennt. Heutzutage wird diese Aufgabe durch moderne Auswahl-, Konfigurations- und Optimierungssoftware erleichtert.

Es gibt jedoch eine Reihe von Punkten, die zu effizienten Trockenkühlern beitragen können.

• Energieeffiziente Komponenten: Hocheffiziente Motoren und Ventilatoren, oft elektronisch gesteuert, können den Ressourcenverbrauch minimieren.
• Materialauswahl: Das Bewusstsein des Herstellers für die Wiederverwertbarkeit der verwendeten Materialien bzw. deren Entsorgung am Ende der Lebensdauer trägt zur Verringerung der Umweltauswirkungen unseres Luftkühlers bei.
• Betriebseffizienz: Die ordnungsgemäße Wartung und Reinigung von Trockenkühlern gewährleistet einen optimalen Luftstrom und Wärmeübergang, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird. Natürlich liegt dieser Schritt sowohl in der Verantwortung eines guten Herstellers und Beraters, der den Kunden am besten beraten kann, als auch in der Verantwortung des Kunden selbst und der guten Organisation seiner internen Abläufe.

7. Trockenkühler vs. andere Kühlsysteme

Trockenkühler sind sicherlich nicht die einzigen Systeme zur Wärmeableitung in industriellen Prozessen.

Die Frage nach dem besten Kühlsystem für die Kühlung von Flüssigkeiten (Wasser und Glykol oder andere Flüssigkeiten) in Produktionsprozessen ist ein großer Klassiker. Hersteller und Berater antworten meist mit einer anderen klassischen Antwort: Es kommt darauf an. Denn das beste Kühlsystem gibt es nicht, sondern man muss die unterschiedlichen strukturellen Vorteile von Kältemaschinen, Verdunstungstürmen, adiabatischen Trockenkühlern und „Standard“-Trockenkühlern kennen und vergleichen.

Auch hier sollten wir die Funktionsweise von Trockenkühlern mit anderen Wärmeabfuhrsystemen vergleichen.

7.1. Trockenkühler vs. Kältemaschine

Dies ist ein klassisches Beispiel für den Kontrast zwischen verschiedenen Kühlsystemen: Ist ein Trockenkühler oder ein industrielles Kühlaggregat besser?

Es ist klar, dass wir mit den Ausgangstemperaturen beginnen müssen, die die beiden Systeme zulassen. In diesem Sinne kann ein Kaltwassersatz („mechanischer Kühler“) Flüssigkeitstemperaturen weit unter der Raumtemperatur erreichen, sogar unter 0 °C. Ein Trockenkühler hingegen eignet sich, wie wir bereits gesehen haben, eher für mittelhohe Ausgangstemperaturen (in wärmeren Jahreszeiten) oder auf jeden Fall für Temperaturen, die nahe an denen der Außenluft liegen. Es handelt sich nämlich um ein System, das strukturell nicht unter die Trockenkugeltemperatur der Umgebung sinken kann.

Was aber ist zu tun, wenn der Bedarf an mittleren Austrittstemperaturen besteht, beispielsweise zwischen 20 und 30 °C? In diesem Fall muss den anderen Konstruktionsfaktoren und Anforderungen an das zu versorgende System mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Ein weiterer Punkt betrifft den Aufbau und die Komponenten der beiden Systeme. Ein Luftkühler ist eine einfache Maschine, die im Wesentlichen aus einem Wärmetauscher und einem Gebläsemotor besteht. Ein Kaltwassersatz oder ein Kühlaggregat hingegen ist ein wesentlich komplexeres System, das zur Erzielung seiner hohen Leistung auf einen kompletten Kühlkreislauf angewiesen ist: Eine solche Lösung verursacht wesentlich höhere Anschaffungs- und Betriebskosten und erfordert einen höheren Wartungsaufwand.

Um die Energieausnutzung zu optimieren und Flexibilität zu gewährleisten, ist es jedoch möglich, Trockenkühler und Kältemaschinen zu kombinieren: eine Lösung, die in den letzten Jahren eine gewisse Verbreitung gefunden hat. So kann man z. B. den Trockenkühler in der kältesten und die Kältemaschine in der wärmsten Jahreszeit einsetzen oder den Trockenkühler als Vorkühlung verwenden, um die Kältemaschine zu entlasten. Ganz zu schweigen von den so genannten Free-Cooling-Chillern, die in der kalten Jahreszeit als Trockenkühler fungieren, so dass die Kompressoren abgeschaltet werden können und Energie gespart wird.

Zu Ihrer Erleichterung finden Sie hier einen nützlichen und notwendigerweise vereinfachten Leitfaden zu den wichtigsten Faktoren, die bei einer fundierten Entscheidung zu berücksichtigen sind: Trockenkühler vs. Kühler.

• Betriebstemperatur. Wenn eine sehr kalte Flüssigkeit benötigt wird (z. B. 10 °C oder weniger), ist die Kältemaschine die einzige der beiden Optionen. Bei höheren Temperaturen (20-30 °C) können beide Lösungen in Betracht gezogen werden.
• Einbauraum. Wenn der Platz begrenzt ist, kann die Kältemaschine die optimale Wahl sein.
• Umweltbedingungen. In heißen und feuchten Klimazonen kann die Effizienz eines Trockenkühlers abnehmen. Ein Kaltwassersatz hingegen wird von den äußeren Bedingungen weniger beeinflusst.
• Trockenkühler haben im Allgemeinen niedrigere Investitions- und Betriebskosten als konkurrierende Lösungen.
• Energieeffizienz. Die Energieeffizienz hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Umgebungstemperatur, der Austrittstemperatur der Flüssigkeit und der verwendeten Technologie.
• Trockenkühler sind weniger wartungsintensiv als Kühlaggregate, die aus komplexeren Komponenten bestehen.

7.2. Trockenkühler vs. Kühlturm

In Bezug auf das Betriebsergebnis liegt der Hauptunterschied zwischen einem Trockenkühler und einem Verdunstungskühlturm in der Tatsache, dass bei ersteren die Trockenkugeltemperatur der Luft (die Außenlufttemperatur) die Mindestgrenze für die Ausgangstemperatur der gekühlten Flüssigkeit darstellt. Im Gegensatz dazu kann der Verdunstungskühlturm bis nahe an die Feuchtkugeltemperatur heranreichen (etwa 10 °C unter der Außenlufttemperatur).

Es gibt eine genaue Formel zur Berechnung der Feuchtkugeltemperatur (Tw) in Abhängigkeit von der Trockenkugeltemperatur (Ta) sowie mehrere Online-Rechner. Es genügt zu sagen, dass der Wert von Tw bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 100 % immer niedriger ist als Ta: Dies unterstreicht die höhere Effizienz des Kühlturms im Vergleich zum Trockenkühler. Ein Element, das bei der Auswahl des besten Kühlers zu berücksichtigen ist.

Was die Ressourcennutzung anbelangt, so benötigt der Kühlturm Wasser für seinen Betrieb, während der Trockenkühler diese Ressource definitionsgemäß nicht für seinen Betrieb benötigt.

Ist für das zu bedienende System die Leistung (und der zu erreichende thermische Sprung), der verfügbare Platz für die Installation oder die Wassereinsparung wichtiger? Die Antwort auf diese Frage gibt definitiv den Ausschlag für die Wahl: Trockenkühler, wenn der Schwerpunkt auf der Wassereinsparung liegt, Kühlturm, wenn der größte Bedarf in der Leistung und dem geringeren verfügbaren Installationsraum liegt.

7.3. Trockenkühler „Standard“ vs. Trockenkühler adiabatico

Erinnern wir uns an die strukturellen Unterschiede der beiden Systeme. Ein Standard-Trockenkühler funktioniert nach einem einfachen Prinzip: Die zu kühlende Flüssigkeit (in der Regel Wasser oder Wasser und Glykol) wird durch eine Reihe von Rohren in eine Einheit gepumpt. Die Außenluft wird durch die an die Rohre angrenzenden Lamellen gepresst, nimmt die Wärme aus der Flüssigkeit auf und kühlt sie. Dieser Prozess findet ohne den Einsatz von Verdunstungswasser statt. Ein Trockenkühler mit adiabatischer Vorrichtung ist ein fortschrittlicheres System, das die Standardtechnologie des Trockenkühlers mit einem adiabatischen Kühlverfahren kombiniert (das zu bestimmten Jahres- oder Tageszeiten eingesetzt werden kann): In diesem Fall wird die Außenluft mit Wasserbefeuchtungszyklen vorgekühlt, bevor sie mit dem Lamellenregister in Kontakt kommt.

Die Flüssigkeitsleistung eines adiabatischen Trockenkühlers kann unter die Trockenkugeltemperatur der Luft fallen (allerdings nicht unter die Feuchtkugeltemperatur). Ein Standard-Rückkühler hingegen kann dies strukturell nicht erreichen. Dieser Unterschied ist an sich schon ein entscheidender Faktor, wenn das zu versorgende System Wärme bei Werten abführen muss, die leicht über oder leicht unter diesem Schwellenwert liegen, oder wenn eine gewisse „Garantie“ für die Leistung auch an den heißesten Tagen oder Stunden des Jahres erforderlich ist.

Der adiabatische Trockenkühler kann auch im Standardbetrieb, d.h. nur mit Luft und ohne Wasserkühlung, betrieben werden, wenn dies zu bestimmten Jahreszeiten ausreicht: dies ist natürlich ein Pluspunkt für dieses Gerät.

8. Anwendungen von Trockenkühlern

Es gilt das Gleiche wie für andere industrielle Kühlsysteme: Trockenkühler können in den verschiedensten Arten von zivilen und industriellen Anlagen installiert werden, vorausgesetzt, die Temperatur- und Leistungsanforderungen des jeweiligen Projekts sind bekannt.

Als Beispiel seien hier einige Installationskontexte genannt.

• Industrielle Prozesse: Flüssigkeitskühlung in Kraftwerken, in der chemischen Verarbeitung, in der Kunststoffproduktion, in der Metallverarbeitung, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.
• HVAC-Systeme: Wärmeableitung in Gewerbe- und Industriegebäuden zur Aufrechterhaltung der Klimatisierung.
• Rechenzentren: Das Ziel ist natürlich die Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen für Server.

9. Schwerpunkt: Trockenkühler pro Rechenzentrum

Konzentrieren wir uns für einen Moment auf den letzten Punkt der vorangegangenen Liste: Rechenzentren gehören zu den Umgebungen, in denen Kühltechnologien erforderlich sind, und zwar möglichst unter Einsatz einer begrenzten Menge an Ressourcen.

Wir sprechen in diesem Fall von der Kühlung von Serverräumen mit Trockenkühlern für Rechenzentren, eine Anwendung, die auch angesichts der Investitionen in künstliche Intelligenz boomt. Es handelt sich auch um Umgebungen, in denen die Kontinuität des Geschäftsbetriebs und damit die Zuverlässigkeit der Maschinen entscheidend sind.

Trockenkühler können für diese Art von Anlagen eingesetzt werden: Die Wahl dieser Systeme unter anderen Kühltechnologien hängt immer von den Spezifikationen des jeweiligen Projekts ab. Natürlich ist der Trockenkühler, wie wir bereits gesehen haben, die optimale Lösung in kalten Klimazonen oder wenn die Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit nahe oder höher als die Außenlufttemperatur ist.

Es gibt hervorragende Fallstudien über den Einsatz von Trockenkühlern in allen drei Versionen: Tischkühler, V-Konfiguration und adiabatische Vorrichtung.

Der Trockenkühler ist möglicherweise nicht die am besten geeignete Technologie, wenn wir uns in einem sehr heißen Klima befinden und/oder wenn die Möglichkeit besteht, Wasser als Kühlmittel zu verwenden.

10. Hersteller von Trockenkühlern: Wie man sie bewertet

Dies bringt uns zu der Frage, die sich jeder Kunde im zivilen oder industriellen Bereich stellt, auch in Bezug auf andere Technologien: Wie wählt man den richtigen Hersteller von Trockenkühlern aus?

Die Kriterien können sehr unterschiedlich und subjektiv sein. Es lohnt sich jedoch, einige von ihnen zu berücksichtigen.

• Breite des Angebots. Da, wie wir gesehen haben, eine Technologie nicht immer die absolut beste ist (das Gleiche gilt für Luftkühlungssysteme), erhöht die Möglichkeit, auf eine breite Palette von Lösungen zählen zu können, die Möglichkeit, diejenige zu wählen, die für unser System am besten geeignet ist.
• Produktdifferenzierung (innerhalb der gleichen Kategorie). Wir haben festgestellt, dass es verschiedene Arten von Trockenkühlern gibt, die alle ihre eigenen funktionellen Vorteile haben.
• Beratung und Service. In manchen Situationen ist der „immaterielle“ Teil des Verkaufs sogar noch wichtiger als der „materielle“ Teil: Werden uns die Hersteller, die wir in die engere Wahl gezogen haben, als Berater zur Seite stehen? Werden sie für uns eine maßgeschneiderte Planung durchführen? Begleiten sie uns in der Installationsphase und stehen sie uns in der Zukunft in der physiologischen Wartungsphase zur Verfügung?
• Geschichte und Referenzen des Unternehmens. Sie sind natürlich ein Hinweis auf die Erfahrung und Professionalität des Anbieters: auch dies sollte sorgfältig geprüft werden.