Wasserbedarf von (nassen) Rückkühlwerken

(K)eine einfache Berechnung

Verdunstungskühlgeräte werden seit vielen Jahren zur Abfuhr von Überschusswärme aus industriellen Prozessen, bei der Energieumwandlung in Kraftwerken und in Klima- und Kälteanlagen verwendet. Das Prinzip der Verdunstungskühlung gilt als energieeffizient und wirtschaftlich, geht jedoch mit einem gewissen Verbrauch von Wasser einher. Dieser Wasserverbrauch kann durch Einflüsse des Prozesses, der klimatischen Bedingungen und der Art des gewählten Verdunstungskühlgerätes erheblich schwanken. Diese Schwankungen sollen im Folgenden genauer beleuchtet werden, um genaue Rückschlüsse auf den jährlichen Wasserverbrauch schließen zu können.

Wasserverbrauch im Kühlturm

Für den Wasserverbrauch des Kühlturmes sind drei verschiedene Prozesse verantwortlich. Um einen kontinuierlichen Wärmeabfuhrprozess zu ermöglichen, muss der Wasserverlust im Kühlturm permanent ausgeglichen werden. Dies erfolgt durch die Nachspeisung von Frischwasser. Die Menge des nachzuspeisenden Frischwassers ergibt sich aus der Summierung des Tropfenauswurfes, des Verdunstungsverlustes und der Absalzwassermenge.

Tropfenauswurf (Drift loss)

Der Tropfenauswurf am Kühlturm ist ein unerwünschter Wasserverlust. Er erfolgt in Form von Aerosolen und wird durch den Einsatz hochwirksamer Tropfenabscheider verringert. Der Wirkungsgrad der Tropfenabscheider ist ein bedeutender Faktor für den Rückhalt von Aerosolen im Kühlturm. Er ist aber nicht der alleinige Faktor, der den Tropfenauswurf bestimmt. Auch die Art der Versprühung des Wassers hat Einfluss auf den Tropfenauswurf. Größenordnungsmäßig kann man den Tropfenauswurf bei einer Wasserverbrauchsberechnung vernachlässigen. Aerosole dürfen nicht gleichgesetzt werden mit Nebelschwaden, die zwar manchmal störend, aber grundsätzlich nicht schädlich sind. Bei Aerosolen handelt es sich um feinste Wassertropfen, die die gleiche chemische und bakteriologische Zusammensetzung haben wie das Kreislaufwasser.

Absalzung (Bleed loss)

Das umlaufende Wasser kommt auf seinem Weg durch das System immer wieder in Kontakt mit der Luft. Hierbei verdunstet ein Teil des Wassers. Da die Verdunstungsverluste laufend durch die Zufuhr von Ergänzungswasser ausgeglichen werden müssen, reichert sich das Umlaufwasser nicht nur mit den aus der Luft aufgenommenen Verunreinigungen an, sondern auch mit den im Ergänzungswasser enthaltenen Salzen der Alkali- und Erdalkalimetalle; im Wesentlichen Chloride, Sulfate und Nitrate. Das Wasser „dickt ein“. Um diese schädlichen Einflüsse auf das Umlaufsystem in Grenzen zu halten, bedient man sich der sogenannten Absalzung, d.h. man entzieht dem Kreislauf von Zeit zu Zeit einen Teil des eingedickten Wassers und ersetzt es durch Ergänzungswasser mit niedrigem Salz und Schmutzgehalt. Die Wassermenge, die zur Absalzung [A] notwendig ist, hängt von der zulässigen Eindickung des Wassers ab. Die zulässige Eindickung [E] des Umlaufwassers hängt von der Qualität des Nachspeisewassers sowie den gewählten Werkstoffen am Kühlturm, den Rohrleitungen und Wärmetauscher ab.

Die notwendige Menge kann nach der folgenden Formel ermittelt werden:

Verdunstungsverlust

Während der Tropfenauswurf im Jahresverlauf nur in geringem Ausmaß schwankt und die Absalzwassermenge in ihrem Verhältnis zum Verdunstungsverlust über den gesamten Betriebszeitraum gleich bleibt, ist der Verdunstungsverlust großen Schwankungen unterworfen. Ein erheblicher Faktor für die Größe des Verdunstungsverlustes ist die abzuführende Wärmemenge. Diese kann nach der Formel

berechnet werden. Die dafür notwendige Zustandsänderung ist in Bild 3 dargestellt. Daher gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen der abzuführenden Wärmemenge und der verdunstenden Wassermenge. Der interessante Faktor ist die Variation der Wassermenge, je nach Temperaturniveau der dazu notwendigen Luft.

Um eine identische Wärmemenge abzuführen, benötigen wir im Auslegungsfall (Sommer) fast die doppelte Wassermenge im Vergleich zu einem Winterzustand mit verringerten Lufttemperaturen. Demzufolge haben das Temperaturniveau des Kühlwassers und die abzuführende Wärmemenge einen direkten Einfluss auf den Wasserverbrauch im Kühlturm. Daneben besteht außerdem eine direkte Abhängigkeit von der Temperatur und rel. Feuchtigkeit der Außenluft.

Bevor am Kühlturm eine Wärmeübertragung stattfinden kann, muss die Luft zuerst gesättigt werden. Die dafür nötige Wassermenge ist im Jahresverlauf ebenfalls erheblichen Schwankungen unterworfen. Die Bilder 4, 5 und 6 stellen die Zustandsänderungen am Kühlturm detailliert dar.

Zur Vereinfachung stellen die Bilder 7, 8 und 10 die Zustandsänderungen Befeuchtung der Luft bis zur Sättigung und Wärmeübertragung als eigene, nacheinander ablaufende Prozesse dar. Dies ist für eine Betrachtung der thermodynamischen Vorgänge im Kühlturm möglich. Der reale Prozess ist aber ein paralleler Ablauf von Befeuchtung, Verdunstung und Erwärmung des Kühlwassers.

Diese Modellierung und die theoretische Betrachtung wurden durch Leopold Carl Friedrich Merkel in den 1920er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt und sind heute die Basis für die Berechnung von Kühltürmen.

Der Verdunstungsverlust am Kühlturm lässt sich also in zwei Komponenten zerlegen. Zuerst ist es notwendig, die Luft im Kühlturm bis zur Sättigung zu befeuchten. Dabei verdunstet Wasser. Während dieser Zustandsänderung kann die Luft keine Wärmemenge aufnehmen. Im nächsten Schritt erfolgt eine Enthalpieerhöhung der gesättigten Luft und damit die Wärmeübertragung.

Das Klima am Kühlturmstandort hat also einen großen Einfluss auf den jährlichen Wasserverbrauch. Aus diesem Grund wird der Wasserverbrauch von Jahr zu Jahr variieren und kann nicht garantiert werden. Das zur Verdunstung notwendige Wasser wird beim offenen Kühlturm dem Kühlwasser-Massenstrom entzogen. Üblich sind, je nach Anwendung und Temperaturniveau, Verdunstungsraten von 0,3 bis 3 % des umlaufenden Kühlwassers. Bei geschlossenem Kühlturm und Verdunstungskondensator wird das notwendige Wasser nicht dem Prozessstrom entzogen, sondern in einem speziellen Reservoir bereitgestellt. Hier arbeitet man mit weitaus höheren Verdunstungsraten im Vergleich zum (Sprüh-)Wasservolumen als am offenen Kühlturm. Ein weiterer Unterschied ist, dass als letzte Zustandsänderung im geschlossenen Kühlturm noch eine sensible Wärmeübertragung erfolgt, die die Fortluft aus dem Kühlturm von der Taupunktlinie abhebt.

Die zur Verdunstung des Wassers notwendige Wärmemenge wird am offenen Kühlturm dem Kühlwasser-Massenstrom und am geschlossenen Kühlturm dem Prozessmassenstrom entzogen und führt zur gewünschten Abkühlung/Phasenwechsel des Prozessmediums. Sehr vereinfacht wird dieser Zusammenhang mit der folgenden Formel beschrieben:

Dabei gehen wir von einer verlustfreien Wärmeübertragung aus.

Sommer-/Wintervergleich

In Bild 7 wird die Abfuhr einer identischen Wärmemenge einmal im Auslegungsfall und einmal in einem üblichen Winterbetrieb dargestellt. Schon auf den ersten Blick ist zu erkennen, dass für die Erhöhung des absoluten Wassergehalts im Sommer ein Vielfaches der Wassermenge, verglichen zum Winter, notwendig wird. Außerdem ist auch, trotz identischem Δh, ein Unterschied im Wasserverbrauch bei der Abfuhr der gleichen Wärmemenge zu sehen, dargestellt in Bild 8.

Unter der theoretischen Annahme einer konstanten Luftmenge und einem daraus resultierenden konstanten Luftmassenstrom während der Betrachtung sowie einer kon­stanten Wärmelast ergibt sich für den Auslegungsfall im Sommer ein Wasserverbrauch von 2731 kg/h. Im Winter hätte dieses System bei identischen Rahmenbedingungen einen Wasserverbrauch von1771 kg/h. Das entspricht ca. 65 % des Sommerverbrauches. Diese Betrachtung müsste für die Berechnung des Jahreswasserverbrauches für jeden, theoretisch möglichen Außenluftzustand durchgeführt werden.

Einfluss der Regelung

In der Praxis wird jedoch oft im Winterfall der Luftmassenstrom reduziert und damit die Wärmeabfuhr mit einer größeren Enthalpiedifferenz erreicht. Es ist auch prozess­bedingt häufig nicht möglich, die Kühl­was­­ser­­tem­peraturen auf das eben dargestellte Minimum abzusenken. Daher wird durch Reduzierung der Ventilatordrehzahl der Luftmassenstrom reduziert und es stellt sich ein höheres Temperaturniveau im Kühlwasser ein. Die Reduzierung hat aber auch einen wichtigen Einfluss auf den Wasserverbrauch.

Einfluss Faktoren auf den Wasserverbrauch – Fazit

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ergibt sich für die Berechnung des Wasserverbrauchs am Kühlturm ein Gleichungssystem mit fünf Variablen:

Lastprofil, in der Praxis ist die abzuführende Wärmemenge immer variabel;

Klima, der Wasserverbrauch ist je nach Zustand der Außenluft variabel;

Regelung, nach der gewünschten Kühlwassertemperatur werden Luftmassenstrom und/oder Kühlwassermassenstrom variiert;

Wasserqualität, je nach Wasserqualität variiert die Absalzmenge und

Betriebsstunden, prozessabhängig werden Kühltürme unterschiedlich lang genutzt.

Zieht man all diese Einflussfaktoren in Betracht, wird sehr schnell klar, dass eine Berechnung des Wasserverbrauchs bei Kühltürmen nur mit Vereinfachungen und konkreten Zustandsvorgaben möglich ist. Daher ist der Einsatz eines Simulationsprogramms unabdingbar.

Faustformeln Verdunstungsverlust

Für die Berechnung des Verdunstungsverlusts gibt es mehrere Faustformeln und einfache Abschätzungen. All diese Formeln geben für eine Aufstellung in Mitteleuropa bei einer maximalen Feuchtkugeltemperatur von 22 °C mehr oder weniger nutzbare Ergebnisse. Diese sind genau genug, um die Dimensionierung der Nachspeiseleitung für das Frischwasser durchzuführen, da sich der Verdunstungsverlust auf den Auslegungsfall im Sommer bezieht. Für die Abschätzung eines jährlichen Wasserverbrauchs sind diese Formeln jedoch unbrauchbar.

Wird eine Abschätzung des Wasserbedarfs gewünscht, muss zwingend ein Simula­tionsprogramm verwendet werden, dass die variablen Einflussfaktoren auf den Wasserverbrauch beachtet.

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