Hybridkühlung als Lösung

Die Kühlwasserversorgung moderner Kraftwerke und Industrieanlagen beruht vor­wiegend auf Verfahren der Wasserrückkühlung. Nass- und Trockenkühlung sind seit Jahrzehnten bekannt. Die effektive Nasskühlung belastet aber die Umwelt durch Abluftschwaden und Wasserauswurf. Dagegen vermindert die Hybridkühlung, d.h. eine kombinierte Nass-/Trockenkühlung durch system­orientierte Schaltungen die Umweltbelastungen.

Wasserrückkühlung

Wasser verfügt als natürlicher Wärmeträger über eine große Wärmeaufnahmefähigkeit und in einem weiten Temperaturbereich über nahezu konstante Stoffeigenschaften. Deshalb wird Abwärme von Kraftwerken und Industrieanlagen hauptsächlich durch Kühlwasser abgeführt. Die unbegrenzte Einleitung erwärmten Kühlwassers in öffentliche Gewässer ist heute nicht mehr möglich, sondern unterliegt den Gewässerschutzauflagen, z.B. bei der Wassereinleitungstemperatur, Aufwärmspanne, Wasserqualität usw. Von der Frischwasserkühlung früherer Tage wurde auf die Kreislaufkühlung umgestellt. Die Wasserrückkühlung verringert den natürlichen Wasserverbrauch und verbessert die Wasserqualität in öffentlichen Gewässern (Bild 1).

Nasskühlung

Die Nasskühlung ist ein offenes Kühlverfahren. Bei diesem direk­ten Stoff- und Wärmeübergangsprozess werden ca. 1/3 des Wärmestroms durch Konvektion und ca. 2/3 des Wärmestroms durch Verdunstung an die Umgebungsluft übertragen.

Im Nasskühlturm, dem Mittel­punkt des Kühl-
wasserkreislaufs, erfolgt eine möglichst gleichmäßige Wasserverteilung über die Kühlturmfläche A_R bzw. den Kühleinbau, an dem ein inniger Kontakt zwischen Wasser und Luft entsteht. Dabei kühlt das Wasser auf die Kalt­wassertemperatur t_W2 ab. Die Luft erwärmt sich von der Feucht­lufttemperatur t_F1 auf die Schwaden­temperatur t_F2.

Das Kaltwasser wird im Kühlturmbecken gesammelt und anschließend wieder in den Kreislauf eingegliedert.

Bei der Bauart „Ventilator-Kühlturm“ wird die erforderliche Kühlluft mit Ventilatoren durch den Kühlturm gefördert. Im „Naturzugkühlturm“ strömt die Luft mit natürlichem Auftrieb infolge der Kühlturmhöhe bzw. der Luftdichtendifferenz im Kühlsystem.

Die Kühlgrenztemperatur der Nasskühlung entspricht dem Umgebungsluftzustand bei völliger Sättigung mit Wasserdampf bzw. der Feuchtlufttemperatur, ausgedrückt durch die Luftenthalpie h_L:

h_L1 = f (t_F1) = f (t_L1; j = 100%) [kJ/kg]

Die Messung der Trocken- und Feuchtlufttemperaturen erfolgt mit einem Aßmann’schen Aspirations-Psychrometer. Dieses Psychrometer enthält zwei Thermometer. Einer der Messkolben ist mit einem leicht befeuchteten Mullstrumpf überzogen. Infolge der Wasserverdunstung werden dann zwei verschiedene Temperaturen, t_L und t_F, gemessen. Im Sättigungszustand (j = 100 %) müssen beide Thermometer gleiche Werte zeigen (Kontrolle). Ansonsten wird die
relative Luftfeuchte durch das Mollier-h,x-
Dia­gramm (Bild 2) oder den Psychrometer-Tafeln des Deutschen Wetter­dienstes ermittelt.

Nasskühltürme unterscheiden sich sowohl
nach der Bauform, der Anordnung, der
Belüftung als auch dem Strömungsprinzip:

Standardkühltürme für kleine Kühlleistungen in Fertigbauweise, vorwiegend aus Kunststoff;

Ventilator-Zellenkühltürme für Industrieanlagen in Reihen- oder Blockanordnung (Bild 4), hauptsächlich aus Stahlbeton, mit saugender oder drückender Belüftung (Bild 3); die Strömungsführung (Bild 6)
erfolgt im Gegenstrom (europäische Bauweise) oder im Kreuzstrom (britisch-amerikanische Bauweise).

Hyperbolische Naturzugkühltürme für Kraftwerke, ausgeführt in Stahlbeton, mit Bauhöhen H > 100 m (Bild 5).

Die Nasskühltürme bestehen aus folgenden Bau- und Funktions­gruppen:

Bautechnischer Teil: Turmmantel, Kaltwasserbecken, Unterstützungskonstruktion und Begehung;

Kühltechnischer Teil: Tropfenabscheider, Wasserverteilungs­system (Schwerkraft- oder Druckwasserverteilung), Kühleinbau (Kunststoffelemente);

Maschineller Teil (nur bei Ventilator-Kühltürmen): Venti­lator, Antriebssystem, Elektromotor.

Grundlage der Berechnung ist das „Merkel“-Verfahren, das vielfacher Kritik unterliegt, aber nach der Überarbeitung durch Spangemacher relativ einfach sehr zuverlässige Ergebnisse liefert.

Die Leistungsfähigkeit eines Naturzugkühlturms ist von seiner effektiven Kühlturmhöhe H_eff. abhängig:

H_eff. = ∆p_L / (∆r_L × g) [m]

mit:

∆p_L = luftseitiger Druckverlust im NZK [Pa]

∆ρ_L = Luftdichteunterschied (Differenz)

zwischen Luftein- und -aus­tritt [kg/m³]

g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)

Die Maximalabmessungen moderner Naturzugkühltürme be­tragen:

Basisdurchmesser D ≈ 130 m

Turmhöhe H ≈ 150 m

Die Luftförderung der Ventilator-Kühltürme erfordert einen Energieaufwand, der durch folgende Einflussgrößen bestimmt wird:

Luftvolumenstrom,

luftseitiger Druckverlust,

Ventilator-Wirkungsgrad.

Ventilatorenergiebedarf an der Ventilatorwelle:

P_V = V_L x ∆p_L / h_V ⇥[kW]

Ventilatorenergiebedarf an der Motorwelle:

P_M = 1,04…1,08 x P_V ⇥[kW]

Zum Antrieb werden Normmotoren mit hoher Schutzklasse empfohlen. Richtwert:

P_N ≥ 1,1 x P_M ⇥[kW]

mit:

V_L = Luftvolumenstrom [m³/s]

∆p_L = luftseitiger Druckverlust im VK [Pa]

h_V = Ventilatorwirkungsgrad [−]

Die Nasskühlung verursacht aber auch Wasserverluste; dazu gehören:

Verdunstungsverlust (prozessbedingt):

m_W0 = ——————

⇥

Abflutung (zur Erhaltung der Wasserqualität):

m_WA = m_W0 x ————⇥[t/h]

Tropfenauswurf (strömungsabhängig):

m_WS = 10^-4 + 10^-3 x m_w⇥[t/h]

Diese Wasserverluste müssen durch Zusatzwasser ausgeglichen werden:

Zusatzwasserbedarf

m_WZ = m_W0 + (m_WA – m_WS) + m_WKr ⇥[t/h]

mit:

m_WKr = zusätzliche Kreis­lauf­verluste [t/h]

Q = Wärmestrom [kW]

∆h_L = Differenz der Luftenthalpie [kJ/kg]

∆x_L = Differenz des Wasserdampfgehalts

der feuchten Luft [g/kg]

c_W = spez. Wärmekapazität des

Wassers [kJ/(kg K]

t_W2 = Kaltwassertemperatur [°C]

S = Salzgehalt des Zusatzwassers

S_max. = max. zul. Salzgehalt des

Kreislaufwassers

Trockenkühlung

Die Wärmeübertragung ausschließlich durch Konvektion an die Umgebungsluft t_L in geschlossenen Systemen entspricht dem Prinzip der Trockenkühlung. Sie arbeitet ohne Wasserverluste, abgesehen von eventuellen Leckagen im weiteren Kühlwasserkreislauf. Die Kühlgrenztemperatur t_W2,lim. entspricht der Trockenlufttemperatur t_L, so dass die erreichbare Kaltwassertemperatur t_W2 um etwa ∆t_W = 5 K höher als bei der Nasskühlung angenommen werden muss. Die Bauform von Trockenkühltürmen mit großer Kühlleistung ähnelt den Naturzug-Nasskühltürmen. Funktionselemente sind vorwiegend Rippen- oder Lamel­lenwärmeaustauscher mit Rund- oder Ovalrohren. Im Kraftwerk Schmehausen (Hamm-Uentrop) wurde ein hyperbolischer Trockenkühlturm in Seilnetzbauweise (vgl. Dachkonstruktion im Olympiastadion München) errichtet (Bild 7), der wegen des Verzichts auf den dort geplanten Hochtemperatur-Reaktor inzwischen abgerissen wurde.

Hybridkühlung

Die Kombination von Nass- und Trockenkühlung zur Verbesse­rung des Leistungsvermögens und Umweltverhaltens von Was­ser­rückkühlsystemen wird als Hybridkühlung bezeichnet. Es bestehen vier Schal­tungs­möglichkeiten für die Zuordnung von Nass- und Trockenzonen innerhalb eines Hybridkühlturms.

N = Nassteil, bestehend aus Tropfenabscheider, Wasserverteilsystem und Kühleinbau;

T = Trockenteil, bestehend aus Rippenrohr- oder Lamellenwärmeaustauscher

Schaltung A: luft- und wasserseitig in Reihe,

Schaltung B: luftseitig parallel, wasserseitig in Reihe,

Schaltung C: luftseitig in Reihe, wasserseitig parallel,

Schaltung B: luft- und wasserseitig pa­rallel.

Das Umweltverhalten von Wasserrückkühlsystemen wird besonders bei Anwendung der Schaltung B verbessert.Die Neckarwerke AG errichtete im dicht besiedelten Neckartal für das Kraftwerk Alt­bach einen Hybrid­kühlturm mit drückend angeordneten Axialventilatoren zur Belüftung des Trockenteils. Störfaktor des früheren Nasskühlturms war hauptsächlich der Abluftschwaden.

Ursachen und Folgen vonUmweltbelästigungen

Nasskühltürme verursachen bei bestimmten Witterungsbedingungen Abluftschwaden (Nebel) und Niederschläge (Sprühregen), die in der kälte­ren Jahreszeit zur Eisbildung auf den Verkehrswegen und an den Gebäuden führen kann. Diese Auswirkungen haben unterschiedliche Ursachen.

a) Tropfenauswurf

Die Abluftschwaden enthalten Kreislaufwasser in Tropfenform, welches durch den Luftstrom im Kühlturm mitgerissen wurde. Dieser Tropfenauswurf ist abhängig vom Luftdurchsatz, der Luftgeschwindigkeit, der Regendichte und dem Tropfenspektrum.

Wichtigste Einflussgröße ist die Luftgeschwindigkeit w_L. Im Venti­lator-Kühlturm verhalten sich Tropfenauswurf und Luftgeschwin­digkeit etwa proportional, während in Naturzugkühltürmen eine Abhängigkeit zwischen der thermisch-hydraulischen Belastung und dem Umgebungsluftzustand besteht.

Das Verhältnis von Tropfenauswurf und Wasserdurchsatz bleibt bei steigender Regendichte annähernd konstant. Die Kühlluft kann nur Wassertropfen mitreißen, deren Fallgeschwindigkeit kleiner ist als die Luftgeschwindigkeit im Kühlturm. Tropfenabscheider verringern den Tropfenauswurf eines Kühl­turms, ohne jedoch das Problem ganz zu beseitigen. Als Richtwert wird angenommen:

m_WS = 0,0001 ... 0,001 x m_W ⇥[t/h]

b) Rekondensation

Eine weitere Ursache der Umweltbelästigungen durch Nasskühltürme ist die Rekondensation des Abluftschwadens. Die Schwadentemperatur t_F2 (rel. Luftfeuchte j = 100 %) liegt zwischen der Warmwasser- und Kaltwassertemperatur des Kreislaufwassers. Der Mischvorgang des Schwadens und der Umgebungsluft führt zu unterschiedlichen Mischzuständen:

Bei trockener und warmer Umgebungsluft verläuft der Mischzustand oberhalb der Sättigungslinie, d.h. der Schwaden erzeugt keinen Nebel.

Feuchte und kalte Umgebungsluft führt zu einem Mischzustand im Übersättigungsgebiet, d.h. außerhalb des Kühlturms entsteht eine sichtbare Nebelfahne, die Rekondensa­tion auslösen kann.

Die Voraussetzungen für eine Rekondensation sind:

Kühlung der wasserhaltigen Abluft unter ihren Taupunkt (diese Bedingung wird durch sichtbare Schwaden erfüllt),

vorhandene Kondensationskerne in der Abluft, an deren Oberfläche die Kondensation einsetzt.

Die Kondensationskerne, z. B. kleine Flüssigkeitstropfen, Staubteilchen, bei größerer Übersättigung auch Molekülkomplexe, müssen beim Kondensationsvorgang die frei werdende Wärme ohne große Temperaturerhöhung aufnehmen und ableiten. Hierzu muss die Dampf­komponente des Wasser­dampf-Luft-Gemisches den kapillaren Sättigungsdruck, gebildet aus Oberflächenspannung, Temperatur und Krümmungs­ra­dius der Tropfenoberfläche über­steigen.

c) Nebelbildung

Die Nebelbildung infolge des Kühl­turmschwadens bedeutet eine erhebliche Verkehrsgefährdung im Umfeld der Wasserrück­kühlanlage. In Abhängigkeit von den Windverhältnissen, dem Außenluftzustand, den Betriebsbedingungen des Kühlturms einschließlich der Schwadentemperatur t_F2 ist die Schwadenlänge bzw. die Nebelfläche zu ermitteln. Erfahrungsgemäß neigen Kühltürme mit hoher Aufwärmung der Kühl­luft, d.h. Ausführungen mit leistungsfähigem Kühleinbau und großer Kühlzonenbreite (z = t_W1 – t_W2) stärker zur Nebelbildung.

Der Tropfenauswurf von Na­tur­zugkühltürmen mit großer Bauhöhe und relativ geringer Luftgeschwindigkeit lässt sich durch den Einbau effektiver Tropfenabscheider auf < 0,02 % verringern. Der Windeinfluss hat einen Anströmwinkel von ca. 90 ° (Haupt- und Seitenwinde). Somit sind die Umweltbelästigungen weniger auffällig als bei Ventilator-Zellenkühltürmen in Rechteckbauweise und Bauhöhen < 20 m. Zu den Problemen der Nebelbildung und Niederschläge kommt die Rezirkulation hinzu. Hierbei handelt es sich um die Rückströmung der Abluft zum Lufteintritt des Kühlturms, ausgelöst durch ein starkes leeseitiges Unterdruckgebiet. Infolge der Seitenwinde, die auf das räumliche Rechteck einwirken, steigt der Widerstandsbeiwert auf das Vierfache gegenüber runder Baukörper an (Bild 12).

Möglichkeiten der Hybridkühlung

Obwohl die Rezirkulation durch konstruktive Maßnahmen, z. B. höhere Kühltürme zur Vergrößerung des Abstands zwischen Luftein- und -austritt, vermeidbar ist, erfordern weitere Umweltbelästigungen (Abluftschwaden, Niederschlag) eine Änderung des Rückkühlverfahrens. Die Anwendung der Trockenkühlung ist selten auslegungstechnisch ausreichend. Außerdem erhöht sie erheblich die Bau- und Betriebskosten (Kaltwassertemperatur t_W2 = f (t_L) anstelle
t_W2 = f (t_F)). Spangemacher empfahl schon 1969/70 die Kombination von Nass- und Trockenkühlung in einer Baueinheit. Von den Schaltungsmöglichkeiten (Bild 8) sind die Parallelschaltung der Luftströmung von Nass- und Trockenteil (natürliche oder mechanische Belüftung) sowie eine Reihenschaltung des Wasserdurchsatzes (Lösung B) vorteilhaft zur Aufhebung der Umweltprobleme. Die Kühlturmauslegung basiert auf dem Nassteil. Nur ein Teil­strom des Wassers durchströmt den Trockenteil, ehe er dem Nass­teil wieder zugeführt wird. Die aufgewärmte Luft des oberen Lufteintritts dient der Nachtrocknung der gesättigten Abluft aus dem Nassteil (Bild 8). Optimale Mischverhältnisse liefert das Mollier-h,x-Diagramm (Bild 11). Infolge der Nachtrocknung verlässt die Abluft den Hybridkühlturm fast schwadenfrei.

Die Klimaveränderungen ermöglichen eine Regelung der Luftförderung bei Ventilatorkühltürmen durch Drehzahländerung der Ventilatoren, z. B. durch den Einsatz polumschaltbarer oder frequenzgeregelter Elektromotoren. Bei Naturzug-Kühltürmen besteht eine Regelungsmöglichkeit durch Anpassung des Wasserteilstroms. Zur Sicherung der Schwadenfreiheit sind Messverfahren, z. B. Video­überwachung durch die Betriebswarte, erforderlich. Der Mess- und Regelaufwand ist jedoch ein bedeutender Kostenfaktor. Die Einsparung an Zusatzwasser ist dagegen gering.

Literatur
[1]        H. Chilton: „Elimination of carry-over from packed towers with spezial reference to natural draught water cooling towers“, Trans. Inst. Chemical Engineers (1962)
[2]        K. Spangemacher: „Charakteristik von Kühltürmen mit natürlichem und künstlichem Zug“; Z. Brennstoff – Wärme – Kraft; VDI-Verlag Düsseldorf (1964)
[3]        B. Gyarmathy: „Zur Wachstumsgeschwindigkeit kleiner Flüssigkeitstropfen in einer übersättigten Atmosphäre“; ETH Zürich (1963)
[4]        H. Rögener, G. Kawollik: „Messung des Tropfenauswurfs an Kühltürmen“; Z. Brennstoff – Wärme – Kraft, VDI-Verlag Düsseldorf (1963)
[5]        K.G. Baker: „Water Cooling Tower Plumes“, Z. Chemical and Process Engineering, Oxfort (1967)
[6]        H. Henning, S. Kliemann: „Niederschlags- und Nebelbildung durch Kühltürme“; Z. Energie und Technik, (1971)
[7]        K. Spangemacher: „Direkte und indirekte Dampfkondensation durch Luft und ihre Kombination mit Nasskühltürmen“; Z. Brennstoff – Wärme – Kraft, VDI-Verlag Düsseldorf (1969)
[8]        H. Henning: „Technische Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbeeinflussung beim Betrieb von Kühltürmen“; Z. Kraftwerk und Umwelt, (1973)
[9]        D. Blanck: „Wirtschaftlichkeitsfragen verschiedener Rückkühlverfahren“; Z. Technische Mitteilungen, Haus der Technik (1972)
[10]     H. Schnell, W.-D. Schnell: „Kühlwasser“; Vulkan-Verlag Essen (2012)