Kühlwasser
Was ist Kühlwasser?
In Kraftwerken, in vielen Industriezweigen und in gewerblichen Anwendungen muss Abwärme abgeführt werden, d.h. es ist ein Kühlkreislauf erforderlich. Für den Abtransport der Wärme werden Kühlmittel eingesetzt, wobei Wasser das am häufigsten verwendete Kühlmittel ist.
Die Durchlaufkühlung ist die ursprünglichste und einfachste Form der Wasserkühlung. Hier wird Wasser aus einem Gewässer (Fluss, See, seltener Grundwasser oder Meer) entnommen und ggf. nach einer Aufbereitung dem Wärmetauscher zugeführt. Das erwärmte Wasser wird in das Gewässer zurückgeführt. Die Durchlaufkühlung führt zu einem hohen Wasserverbrauch und damit (je nach Wasserquelle) zu hohen Wasserkosten sowie zu einer Wärmebelastung von Gewässern, die zunehmend gesetzlich limitiert wird. Daher wird die Durchlaufkühlung in vielen Fällen durch andere Verfahren ersetzt. Nichtsdestotrotz ist sie für große Industrieanlagen (Kraftwerke, chemische Industrie) in Gewässernähe immer noch die günstigste Kühlvariante. Inzwischen wird häufig vor der Rückführung des erwärmten Wassers in das Gewässer noch ein Kühlturm geschaltet, um die Wärmebelastung der Gewässer im Sommer zu verringern.
Wie funktioniert ein Kühlkreislauf?
- Wärme wird von Maschinen auf kaltes Kühlmittel übertragen
- Warmes Kühlmittel führt Wärme an Umgebung ab
- Rezirkulation des abgekühlten Kühlmittels
An vielen Industriestandorten ist das Wasserangebot allerdings begrenzt oder die Kosten für Frischwasser und Abwasser steigen immer weiter an, sodass eine Kreislaufführung des Kühlwassers erforderlich wird. Eine Kreislaufführung kann als offener oder geschlossener Kühlkreislauf ausgeführt werden, Hybridlösungen sind ebenfalls möglich.
Der offene Kühlkreislauf ist die am weitesten verbreitete Variante. Hier wird das erwärmte Kühlwasser im oberen Bereich des Kühlturms versprüht und rieselt dann über Einbauten nach unten. Dadurch wird eine große Oberfläche geschaffen, die einen effizienten Wärmeaustausch ermöglicht. Durch einen Druck- oder Saugventilator bzw. Kamineffekt bei Naturzugkühltürmen wird Luft im Gegenstrom durch den Kühlturm transportiert. Die Abkühlung erfolgt durch Konvektion und durch Verdunstung, wobei die Verdunstung das Hauptkühlsystem darstellt. Das Kühlwasser wird im Anschluss wieder dem Kühlprozess zugeführt.
Im Kühlwasserkreislauf kommt es zu Wasserverlusten durch Verdunstung und Spritzwasser sowie durch die Absalzung. Diese Verluste müssen durch Zusatzwasser ausgeglichen werden. Der Wasserverbrauch ist allerdings sehr viel niedriger als bei einer Durchlaufkühlung.
In einem geschlossenen Kühlkreislauf wird das Kühlwasser nicht in Kontakt mit der Atmosphäre im Kühlturm verrieselt. Stattdessen fließt es durch die Rohre eines Wärmetauscherbündels, das im Kühlturm montiert ist. Ventilatoren pressen bzw. saugen Luft durch die Kühlrippen, wobei Wärme an die Luft abgegeben wird. Das Kühlwasser verdunstet nicht wie in einem offenen Kühlkreislauf, daher ist die Effizienz geringer als bei Nasskühlung. Andererseits ist hier kein Zusatzwasser erforderlich, solange nicht z.B. Wasser durch Leckagen verloren geht.
Ein geschlossener Kühlkreislauf benötigt nach einer anfänglichen Konditionierung beim Auffüllen (die aber eine besonders hochwertige Kühlwasserbehandlung notwendig macht) keine oder nur noch wenig Wartung des enthärteten bzw. entsalzten Kühlwassers.
Vorteil gegenüber einem offenen Kühlkreislauf ist der fehlende Wasserbedarf, Nachteile sind die geringere Kühleffizienz und der damit einhergehende höhere spezifische Stromverbrauch.
Welche Kühlungsarten gibt es?
- Nasskühlung: Wasser wird im Kühlturm verrieselt, Wirkungsgrad am höchsten
- Trockenkühlung: Luft als Kühlmedium, Kein Wasserverbrauch
- Hybridkühlung: Kombi aus Nass- und Trockenkühlturm, keine Dampfschwaden und kleine Bauform
Von den erwähnten Kühlvarianten ist die Nasskühlung (d.h. offener Kühlkreislauf) die am häufigsten verwendete Kühlmethode, da sie bei sehr gutem Wirkungsgrad geringe Kapital- und Betriebskosten verursacht. Die Bauart (Ventilator- oder Naturzugkühlturm) ist oft von der Umlaufwassermenge abhängig. Kraftwerke werden hauptsächlich mit Naturzug-Kühltürmen ausgerüstet, Industrieanlagen verfügen eher über Ventilatorkühltürme, die besser an veränderliche Betriebsbedingungen angepasst werden können. Ventilatorkühltürme werden oft in Zellenbauweise, Reihen- oder Blockanordnung errichtet.
An wasserarmen Standorten bietet eine Trockenkühlung (d.h. geschlossener Kühlkreislauf) Vorteile. Es wird keine Zusatzwasser benötigt und es entstehen keine Dampfschwaden (Gemisch aus Luft, Wasserdampf und feinsten Wassertropfen). Die erreichbare Kühlgrenztemperatur ist allerdings höher als bei Nasskühlung, wodurch besonders im Sommer Engpässe entstehen können. Auch Kapital- und Betriebskosten sind deutlich höher.
Bei einer Hybridkühlung wird Nassteil und Trockenteil kombiniert. Vorteile sind die kompakte Bauform, der geringere Zusatzwasserbedarf und der verminderte Anfall an Dampfschwaden. Im Winter und bei geringem Kühlungsbedarf kann zum Teil auf die Wasserkühlung verzichtet werden (Trockenbetrieb). In diesem Zeitraum wird das Kühlwasser abgelassen oder in einem Speichertank gestapelt.
Warum ist eine Aufbereitung des Kühlwassers nötig?
Wenn Kühlwasser intensiv mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt und sich die Inhaltsstoffe durch Eindickung aufkonzentrieren, können Betriebsprobleme durch Kalkablagerung, biologisches Wachstum und Korrosion die Folge sein. Daher ist eine geeignete Wasseraufbereitung notwendig, um einen sicheren und ökonomischen Betrieb zu gewährleisten.
Kalkablagerungen werden im Kühlturm vor allem in Rohrleitungen, auf Einbauten und in Tropfenabscheidern zum Problem. Reduzierte Wärmeübergänge und höherer Energieverbrauch aufgrund von hohem Wasserdruck sind die Folge. Zusatzwasser muss deshalb enthärtet bzw. entmineralisiert werden. Im Kreislauf werden Ablagerungen durch die Dosierung von Härtestabilisatoren vermieden.
Im Kühlkreislauf herrschen aufgrund von Temperatur, Nährstoffangebot und Lichteinfall sehr gute Bedingungen für das Wachstum von Algen, Pilzen und Mikroorganismen. Die entstehenden Biofilme reduzieren den Durchfluss und verursachen Verstopfungen. Bestimmte Mikroorganismen wie Legionellen stellen auch eine Gefahr für die Gesundheit dar. Durch Bioziddosierung kann die biologische Aktivität effektiv reduziert werden.
Korrosionsschäden können beispielsweise durch falsche pH-Werte, durch aggressives Wasser, erhöhte Konzentrationen an Chloriden oder Sulfaten entstehen. Durch die Dosierung von Korrosionsinhibitor und ggf. eine Anpassung des pH-Wertes wird die Korrosionsneigung reduziert.
Welche Herco-Anlagen können zum industriellen Kühlzweck eingesetzt werden?
Zur Auswahl richtiger Lösungen ist eine Wasseranalyse immer erforderlich, da sich die Zusammensetzung des Rohwassers je nach Region unterscheidet. Herco erarbeitet mit Ihnen das für das Bedürfnis Ihres Kunden passende Konzept aus, dabei halten wir uns an die Vorgaben des 42. BImSchV. Fragen Sie uns an oder schauen Sie sich unser Webinar „Cooltrol data“ an.
Angewandte Wasseraufbereitungs-Technologien:
- Ggfs. Filtration zur Entfernung von Schwebstoffen sowie zur Enteisenung und Entmanganung mittels HEF-Filter
- Enthärtungsanlagen zur Vermeidung von Kalkablagerungen, z.B. ECOTROL-D
- Umkehrosmose zur Entsalzung, in Kombination mit Antiscalant-Dosierung zum Schutz der Membranen und zur Härtestabilisierung
- Absalzung mittels Cooltrol data zur Steuerung der Eindickung sowie der Chemikaliendosierung und zur Erfüllung der gesetzlichen Nachweispflichten
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