Die richtige Wasserqualität für Kühltürme

Kühltürme mit offener Kreislaufführung, offene Kühltürme, geschlossene Kühltürme, Hybridkühltürme, adiabate Kühlsysteme – es gibt eine Fülle unterschiedlicher Kühlturmvarianten. Der folgende Fachbeitrag gibt Hinweise, welche Wasserbehandlungen und -aufbereitungen für welches Kühlsystem geeignet sind.

Um einen Kühlturmkreislauf sicher und effizient zu betreiben, sind die Wasservorbehandlung (die physikalische Wasseraufbereitung), die Wasserbehandlung (der Einsatz von Produkten zur Minimierung von Korrosion, Ablagerungen und biologischem Wachstum), die behördlichen Vorgaben bezüglich der Abwasserqualität und die Wasser- und Abwasserkosten wichtige Faktoren.

Jeder Betreiber wird seine eigenen Schwerpunkte in der Betrachtung der Wasserbehandlung und -aufbereitung haben. Daher sind die folgenden Vorschläge als Möglichkeiten zu sehen, die sich aber in den meisten Fällen mit den Vorgaben der Hersteller decken.

Grundsätzlich gilt: Bei den Kühlturmsystemen, bei denen es zu einer Eindickung (Aufkonzentration der Wasserinhaltsstoffe) kommt, ist eine geeignete Absalzeinrichtung (in den meisten Fällen leitfähigkeitsgesteuert) vorzusehen. Kommen Wasserbehandlungsprodukte zum Einsatz, ist eine passende Dosiertechnik (Pumpe, Behälter, Auffangwanne, Dosierventil und Schläuche) einzuplanen.

Kühlung ohne Kreislaufführung (Durchflusskühlung)

Bei der Durchflusskühlung wird in vielen Fällen keine Behandlung oder Aufbereitung des Wassers durchgeführt, da die Wassermengen zu groß sind und die Kosten dadurch zu hoch würden. Es ist darauf zu achten, dass das Wasser möglichst feststofffrei ist, um ein Verschmutzen der Anlage zu vermeiden. Eine passende Filtertechnik (zum Beispiel Sandfilter für Flusswasser) ist hier am wichtigsten. Sollten chemische Behandlungsprodukte zum Einsatz kommen, sind die Abwasserrichtlinien einzuhalten.

Wasseraufbereitung:
passende Filtertechnik

Wasserbehandlung:
behördlich abgestimmte Stoßbehandlungen von Bioziden und Inhibitoren.

Direktkühlung durch
offenen Kühlturm

Bei der Direktkühlung durch einen offenen Kühlturm sind viele Varianten möglich. Um die Wasserbehandlung und -aufbereitung entsprechend einzustellen, müssen die schwächsten Stellen im System erkannt werden. Durch die oft verzweigten Systeme spielt die mikrobiologische Behandlung eine wichtige Rolle. Zum Beispiel an schwach durchströmten Stellen können sich Biofilme schneller bilden. Die regelmäßige Kontrolle solcher Systeme auf Legionellen ist daher sehr ratsam. Die Systemvolumina sind in diesen Systemen oft relativ groß, was die Auswahl eines passenden Biozids erschweren kann. Verschiedene Biozide werden teilweise kombiniert und durch Biodispergatoren zum Lösen von Biofilmen ergänzt. Neben den schwach durchströmten Bereichen müssen auch die heißen Stellen im System berücksichtigt werden.

Wasseraufbereitung: Passende Filtertechnik (zum Beispiel rückspülbarer Sandfilter im Bypass), Enthärtungsanlage/Teilentsalzung bei hoher Härte im Zusatzwasser.

Wasserbehandlung: Korrosionsschutzmittel für alle Materialien im System, Härteschutz, Biozide mit Pufferwirkung für große Systeme, aktiv gegen Legionellen, Einhaltung der Umweltrichtlinien, Einsatz von Biodispergatoren kann sinnvoll sein.

Geschlossener Kühlturm,
auch mit Luftkühlung

Die Behandlung und Aufbereitung von geschlossenen Kühltürmen unterscheiden sich im ersten Moment nicht wesentlich von der Behandlung eines großen Kühlturmkreislaufs. Aber die Schwerpunkte haben sich verändert. Zum einen hat man es mit einem geschlossenen Primärkreislauf zu tun, zum anderen mit einem Kühlturmkreislauf mit kleinerem Systemvolumen.

Geschlossener Kühlkreislauf

Da es bei einem geschlossenem System zu keinem größeren Wasseraustausch kommt, ist es wichtig, durch entsprechende Filtertechnik mögliche Störstoffe (Rostpartikel, Schmutz oder Späne) aus dem System zu entfernen, um Korrosions- und Verschmutzungstendenzen zu minimieren. Ist die Zusatzwasserqualität sehr schlecht (etwa bei hohem Salzgehalt), wird eine zusätzliche Wasseraufbereitung notwendig.

Wasseraufbereitung: Bypassfilter (Gewebefilter, Schlammabscheider). Dem Wasser sollte mit der Erstbefüllung ein passendes Kalk- und Korrosionsschutzmittel zugegeben werden, damit Rost und Kalk gar nicht erst entstehen können. Da es in der Regel zu keinen großen Wasserverlusten kommt, ist die Zugabe oft nur einmalig. Desinfektionsmittel werden in der Regel nur bei Bedarf zugesetzt. Solche Systeme sollten ein- bis zweimal pro Jahr analytisch kontrolliert werden, um Tendenzen bezüglich der Korrosion und Mikrobiologie zu erkennen.

Wasserbehandlung: Kalk-Korrosionsschutzmittel, eventuell Biozid

Kühlturmsysteme

Der Kühlturmkreislauf dieser Systeme besteht in der Regel aus dem Kühlturm mit Kühlturmwanne, einem verzinkten Rohrbündel und überschaubarer Leitungsführung inklusive Pumpe (geringe Systemvolumen). Die andere Variante sind Kühltürme mit Kunststoffeinbauten in Kombination mit einem Wärmeübertrager (Plattenwärmeübertrager oder Rohrbündelwärmeübertrager).

Bei der Wahl der passenden Wasserqualität sind die Materialien des Kühlturmsystems und die zu erwartende höchste Kontakttemperatur entscheidend.

Bei verzinkten Rohrbündeln (typisch beim Einsatz von Ammoniakkälteanlagen) als Verflüssiger darf der pH-Wert im Wasser (max. 8,8) durch Eindickung nicht zu hoch werden, da es sonst zur Entzinkung kommt.

Passivierung der Zinkoberflächen: Verzinkte Oberflächen haben direkt nach der Produktion noch keine Schutzschicht gebildet. Die blanke, glänzende Zinkschicht ist sehr empfindlich gegenüber höheren pH-Werten. Daher darf in den ersten sechs bis zwölf Wochen nach der Inbetriebnahme der pH-Wert nicht über 8,3 liegen. Erst wenn sich die matte Zinkoxidschicht gebildet hat, kann der pH-Wert auf 8,8 angehoben werden. Der pH-Wert lässt sich durch verschiedene Maßnahmen (Eindickung, Wasservorbehandlung, Säure) beeinflussen und muss mit dem Wasserfachmann abgestimmt werden.

Wasseraufbereitung: ähnlich dem Einkreissystem, Umkehrosmose bei hoher Alkalität, pH-Wert-Regelung

Wasserbehandlung: Korrosionsschutzmittel (abgestimmt auf Zink), Härteschutz, besonders bei hohen Kontakttemperaturen, passende Desinfektionsmittel

Hybridkühler auf Basis eines
besprühten Luftkühlers

Luftkühler haben in der Regel sehr feine Lamellen, um eine große Austauschfläche pro m² zu erzielen. Bei diesem Kühlturmtyp läuft das Wasser in der Regel nur mit geringen Fließgeschwindigkeiten an den Lamellen vorbei, was den Selbstreinigungseffekt deutlich reduziert. Dies macht sie empfindlich gegenüber Verschmutzung. Beläge können entstehen durch Dreck/Staub aus der Luft, Kalkbeläge durch Härte im Wasser und biologische Beläge durch Verschleimung und Algen. Grundsätzlich kann man sagen, dass die Anforderungen an die Wasseraufbereitung bei diesem Kühlturmtyp anspruchsvoller sind als bei klassischen Verdunstungskühlern (Nasskühltürmen). Da häufig Aluminium zum Einsatz kommt, sollte der pH-Wert im Wasser in einem engen Bereich eingestellt werden.

Das Umlaufwasser sollte möglichst härtefrei sein, sodass eine Weichwasseranlage fast immer notwendig wird. Oft muss das Wasser auch entsalzt werden (die Hydrogenkarbonate und andere Stoffe, die im Wasser enthalten sind, müssen durch eine Umkehrosmose oder eine Vollentsalzungsanlage entfernt werden), da sonst die Korrosionstendenz zu hoch wird und besonders die empfindlichen Aluminiumlamellen angegriffen werden. Auch wenn durch verschiedene Beschichtungen der Kühlturmhersteller das Problem reduziert wird, sind die Vorgaben der Hersteller bei dieser Technologie in der Regel anspruchsvoller als bei anderen Kühlturmtypen. Filtertechnik ist sinnvoll, kommt aber konstruktionsbedingt nur selten zum Einsatz.

Wasseraufbereitung: Enthärtung, Umkehrosmose, Filtertechnik, wenn möglich, pH-Wert-Regelung/-Kontrolle.

Die Wasserbehandlung muss anspruchsvoller sein als bei Nasskühltürmen. Die Wasser­inhalte dieser Kühler sind tendenziell nicht sehr groß, es kommt zu einer schnellen Aufkonzentration der Inhaltsstoffe, Mikrobiologie kann sich schnell vermehren.

Wasserbehandlung: Passende Biozide sind sehr wichtig, ebenso die angepasste Dosiertechnik. Um Ablagerungen (Dreck oder Restkalk) zu vermeiden, ist der Einsatz von Stabilisatoren und Dispergatoren sinnvoll.

Adiabate Kühler auf Basis
eines Luftkühlers

Bei adiabaten Kühlern auf Basis eines Luftkühlers ist zu unterscheiden, ob das Sprühwasser mit den Lamellen in Berührung kommt oder nicht. Werden die Lamellen benetzt, muss das Wasser für die Materialien geeignet sein. Es sollte härtefrei sein. Bei Aluminiumlamellen darf der pH-Wert nicht zu hoch werden. Beim Besprühen kommt es zu einer starken Verdunstung, so dass es zu einer Aufkonzentration der Wasserinhaltsstoffe kommt. Ist das Wasser nicht entsalzt, wird der pH-Wert während des Versprühens ansteigen und die Aluminiumlamellen können angegriffen werden.

Enthärtetes oder teilenthärtetes Wasser wird in den meisten Fällen benötigt. Einige Hersteller empfehlen (oder geben vor), salzarmes Wasser (Umkehrosmose ...) einzusetzen. Werden die Lamellen nicht benetzt, sind die Anforderungen in der Regel geringer.

Wasseraufbereitung: Enthärtung, Umkehrosmose, wichtig: Anlagen stehen lange ohne Betrieb (Verkeimung möglich), UV-Lampe.

Da in den meisten Fällen das Überschusswasser verworfen, durch die Sprühkraft ein gewisser Reinigungseffekt erzielt und das Wasser als Regenwasser entsorgt wird, findet häufig keine Wasserbehandlung statt. Auch die geringe Betriebszeit der Besprühung macht den Einsatz von Behandlungsprodukten (Haltbarkeit der Produkte) etwas problematisch. Durch die geringe Besprühungszeit im Jahr ist auf die Verkeimung der Wasseraufbereitungsanlagen und der Rohrleitungen besonders zu achten, Desinfektionen sollten eingeplant werden.

Wasserbehandlung: abgestimmte Desinfektionen (zum Beispiel vor der Saison)

Zusammenfassung

Der Betreiber von Kühlsystemen hat ein Interesse, die Wärmeübertragerflächen in seinem System sauber zu halten, da sonst der Vorteil der besseren Energieausnutzung schnell verpufft und sich ins Gegenteil dreht. Ablagerungen aus Kalk, biologischen Verschleimungen oder Korrosion werden dann zum Problem. Damit sich auf den Wärmeübertragerflächen keine störenden Ablagerungen bilden oder die Oberflächen durch Korrosion angegriffen werden, muss der Betreiber einer Kälteanlage oder eines Kühlsystems die passende Wasserqualität und die richtige Wasserbehandlung kombinieren. Eine optimale Kombination aus Behandlung und Aufbereitung ist aber von vielen Faktoren abhängig. Die wichtigsten sind: wasserberührte Materialien, Kontakttemperaturen, die Qualität des Zusatzwasser sowie die Konstruktion des Kühlturms, der Kältemaschine und der Wärmeübertrager. Grundsätzlich orientieren sich die Wasserbehandlung und die Wasseraufbereitung am schwächsten Glied in der Kette. Dies kann das schwächste Material (zum Beispiel Aluminium), die höchste Kontakttemperatur (zum Beispiel bei Ammoniakverflüssigern), die schlechteste Zusatzwasserqualität (hohe Härte oder hoher Salzgehalt), der empfindlichste Wärmeübertrager (zum Beispiel gelöteter Plattenwärmeübertrager) sein oder eine Mischung aus allem.

Jedes der beschriebenen Kühlturmsysteme hat seine Vor- und Nachteile, die gegeneinander abzuwägen sind. Zu empfehlen ist es, den Wasserfachmann schon bei der Planung mit einzubeziehen, dadurch werden teure Nachrüstungen vermieden.