Planung von Verdunstungskühlanlagen

Grundlagen zur Auslegung von Verdunstungskühlanlagen

Bei der Planung von Verdunstungskühlanlagen müssen die technischen Anforderungen nun enger mit den hygienischen Forderungen in Einklang gebracht werden. Bild 1 zeigt die vier Säulen, die zu einem hygienischen Betrieb führen sollen. Dies betrifft konstruktive Merkmale, wie z. B. die Planung von Revisionsöffnungen an der Verdunstungskühlanlage oder die Möglichkeit der vollständigen Restentleerung des Kühlwasserkreislaufes bei Außerbetriebnahme. Die mit Kühlwasser in Berührung kommenden Werkstoffe sollen nicht nur entsprechend des Prozesses und der Beschaffenheit des Kühlwassers ausgewählt werden, sondern auch eine gewisse Verträglichkeit gegenüber Desinfektionsmitteln haben. Eine hygienisch angepasste Prozesssteuerung soll durch z. B. Lastwechsel oder Kaskadenbetrieb eine gleichmäßige und ständige Durchströmung des Kühlwasserkreislaufes erzwingen. Eine zentrale Rolle bei der hygienischen Auslegung nimmt die Zusatzwasseraufbereitung und Kühlwasserbehandlung in Verbindung mit einer Regel- und Dosieranlage ein, deren  Auslegung anhand der Gegebenheiten vor Ort erfolgen soll.

Während derzeit die VDI-Richtlinie 2047 Blatt 2 im Mittelpunkt steht, sind die weiteren Richtlinien des VDI als auch von anderen Verbänden veröffentliche Konzepte und Merkblätter nicht zu vernachlässigen und stellen eine hilfreiche Planungsgrundlage dar. Eine Auswahl ist in Tabelle 1 aufgelistet. Das bereits 2005 veröffentlichte und zurzeit in Bearbeitung befindliche VDMA-Einheitsblatt 24649 nimmt einerseits Bezug auf die Problematik von Legionellen in Verdunstungskühlanlagen und behandelt andererseits ausführlich den gesamten Themenkreis

des Betriebs einer Verdunstungskühlanlage. Verschiedene vom VGB veröffentlichte Richtlinien gehen detailliert auf Teilbereiche, wie die Zusatzwasseraufbereitung oder den Werkstoffeinsatz, ein.

Hygienische Konstruktion einer Verdunstungskühlanlage

Die hygienische Konstruktion einer Verdunstungskühlanlage hat Einfluss auf die Werkstoffauswahl, die Wahl von Bauteilen, wie zum Beispiel Füllkörpern oder die hy­draulische Auslegung des Kühlwasserkreislaufes. Die wichtigsten Aspekte, die hierbei zur Bewertung herangezogen werden, sind nachstehend kurz erläutert.

Wasserqualität und mikrobiologischer Bewuchs

Da nicht alle Materialien wirkungsvoll ge­­­genüber Korrosion geschützt werden können, ist man teilweise gezwungen, höherwertige Werkstoffe zu verwenden. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Beständigkeit  von niedriglegierten Edelstählen gegenüber der Konzentration an Chlorid­ionen in wässrigen Medien.

Die Qualität des Kühlwassers bestimmt auch die Art des Füllkörpers im Kühlturm. Prinzipiell werden zwei Typen unterschieden, der Filmbildner (Bild 2) und der Tropfenbildner (Bild 3). Ein Füllkörper hat zur Aufgabe, die Wärme durch Verdunstung auf möglichst kleinem Raum abzuführen. Erreicht wird dies durch eine große Oberfläche und eine möglichst langsame Passage des Kühlwassers mit daraus resultierender Erhöhung der Verweilzeit. Da jedoch mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit die Ablagerungstendenz steigt, muss bei sehr feststoffhaltigem Kühlwasser auf Tropfenbildner zurückgegriffen werden. Anstelle von Folien sind diese aus Gitterstäben aufgebaut. In der Regel kommen in offenen Verdunstungskühlanlagen, bei denen im Kühlwasserkreislauf der Feststoffgehalt unter 5 mg/l liegen sollte, Filmbildner zum Einsatz.

Verschiedenste Werkstoffe begünstigen die Ansiedelung von mikrobiologischem Bewuchs. Fördernde Eigenschaften sind zum Beispiel die Rauigkeit der Werkstoffoberfläche oder Bestandteile in den Werkstoffen, die Mikroorganismen als Nährstoffe dienen. Hierzu zählen häufig Dichtungswerkstoffe. Nach Möglichkeit empfiehlt sich die Verwendung von Materialien, deren Resistenz durch entsprechende Prüfungen bestätigt wurde.

Desinfektion und Desinfektionsmittel

Im Kühlwasserkreislauf soll die mikrobiologische Vermehrung kontrolliert werden. Ziel ist es nicht, den Kühlwasserkreislauf steril zu betreiben, sondern eine sinnvolle Gesamtkeimzahl zu stabilisieren und auf deren Veränderung zu reagieren. Dabei kann niemals ausgeschlossen werden, dass es zur Ansiedlung von Legionellen kommt. Überschreitet deren Konzentration 1000 KBE/100 ml, werden nach VDI 2047 Blatt 2 Desinfektions- und Reinigungsmaßnahmen gefordert. Häufig werden zur Desinfektion oxidierende Biozide eingesetzt, die im Kühlwasserkreislauf mit allen Materialien reagieren und unter anderem Korrosion hervorrufen können. Dies sollte sowohl bei der Auswahl der Werkstoffe, aber auch  bei der Wahl  des Desinfektionsmittels beachtet werden. Die Anlage soll so kon­struiert sein, dass die Desinfektion einfach durchgeführt werden kann, beispielsweise ohne den Ausbau von Füllkörpern.

Verhinderung von Stagnationswasser und Restentleerung

In Zonen, in denen das  Wasser nicht oder nur sporadisch ausgetauscht wird, können eingebrachte Kühlwasseradditive nicht wirken. Charakteristisch für diese Bereiche sind Ablagerungen, Stillstandkorrosion und eine deutliche mikrobiologische Belastung. Aus diesen Gründen wird auch ab einem Anlagenstillstand von mehr als sieben Tagen eine Restentleerung des Kühlwasserkreislaufs gefordert.

Strömungsgeschwindigkeiten

Eine zu geringe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers erhöht die Ablagerungstendenz. Im Gegensatz hierzu gehen hohe Geschwindigkeiten vermehrt mit Erosionskorrosion einher. In der Praxis werden Geschwindigkeiten von 1,0 – 2,5 m/s im Kühlwasserkreislauf gefahren, wobei die maximale Geschwindigkeit an die Werkstoffe angepasst werden muss. Bei Verwendung von z. B. Wärmetauscher aus Kupfer können schon Geschwindigkeiten von über 1,5 m/s zu Erosionskorrosion führen. Es sei angemerkt, dass auch der Feststoffgehalt und die elektrische Leitfähigkeit Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeiten haben.

Umwelteinflüsse

Zentrale Hygiene-relevante Bauteile an einer Verdunstungskühlanlage sind die Tropfenabscheider. Montiert oberhalb der Sprühstöcke sollen sie den Auswurf von Kühlwasser minimieren. Sie müssen die gesamte Fortluftfläche bedecken und für Wartungsarbeiten demontierbar sein.

Da eine Verdunstungskühlanlage als Luftwäscher fungiert, sind am Lufteintritt Schutzgitter oder gegebenenfalls Luftfilter zu installieren. Die gesamte Konstruktion sollte so ausgeführt sein, dass Lichteinfall minimiert wird.

Berücksichtigung von Inspektions- und Wartungsarbeiten

Die regelmäßige Inspektion und die daraus resultierenden Wartungsarbeiten stellen einen wichtigen Beitrag zur Hygiene des Systems dar. Schon in der Planung ist es sinnvoll, dies zu berücksichtigen und Revisionszugänge zur Kontrolle von hygienisch relevanten Bauteilen vorzusehen, wie z. B.  Sprühdüsen, Tropfenabscheider oder Kühlturmpackungen.

Auch sollte um den Kühlturm eine ausreichende Verkehrsfläche vorhanden sein, die den einfachen Ausbau von Komponenten, wie der Kühlturmpackungen

oder der Sprühstöcke, unterstützt.

Neben den Sichtkontrollen und mechanischen Arbeiten bedarf es auch der Untersuchung von Wasserproben. Die Probennahmestellen sind an repräsentativen Stellen vorzusehen. Generell sind Wasserproben zur Bestimmung von mikrobiologischen Parametern in Strömungsrichtung vor der Bioziddosierung zu entnehmen. Die optimale Probennahmestelle liegt zwischen der Umwälz- oder Sprühwasserpumpe und Versprühung oder Berieselung. Zu Zwecken der Desinfektion sollte diese vorzugweise abflammbar sein.

Die hier beschriebenen konstruktiven Maßnahmen sind nochmals in Bild 4 schematisch dargestellt.

Aspekte der Kühlwasserbehandlung

Die Kühlwasserbehandlung hat zur Aufgabe, die Korrosion auf metallischen Werkstoffen weitestgehend zu inhibieren, Ablagerungen auf ein Mindestmaß zu reduzieren und das mikrobiologische Wachstum zu begrenzen. Jedoch gilt anzumerken, dass trotz sorgfältiger Wasserpflege kein System für die Ewigkeit währt.

Ein gut ausgearbeitetes Konzept zur Kühlwasserbehandlung sichert einen wirtschaftlichen, hygienischen und langjährigen Betrieb und vermag so manchen Planungsfehler abzumildern. Jedoch können andererseits fehlerhafte Konzepte zu schwerwiegenden Schäden führen. Eine Auswahl an charakteristischen Schäden ist in den Bildern 5 bis 7 dargestellt, die neben Härteausfällungen (Bild 5), Korrosionsschäden (Bild 6) auch Korrosionsschäden durch mangelnde mikrobielle Kontrolle (Bild 7) zeigen.

Besonders an Bild 7 wird deutlich, dass die Nichtbeachtung eines Aspektes der Kühlwasserbehandlung zu weiteren Problemen führen kann und eine ganzheitliche, an das Kühlwassersystem angepasste Behandlung zu empfehlen ist.

Grundlage der Auslegung ist die Analyse der am Standort zur Verfügung stehenden Wässer. Bei Brunnen- oder Flusswässern ist es von Vorteil, die jahreszeitliche Schwankungsbreite zu ermitteln. Die Auswahl des geeigneten Rohwassers sollte im Wesentlichen in Abhängigkeit der Verfügbarkeit, der Werkstoffe im Kühlwasserkreislauf und unter wirtschaftlichen Aspekten erfolgen.

Je nach Art der verbauten Werkstoffe oder der geplanten Kühlwasserbehandlung bedarf es einer Aufbereitung des Rohwassers, bevor es als Zusatzwasser zur Verfügung steht. Eine Auswahl an Verfahren zur Entfernung von in Wasser gelösten Bestandteilen oder Feststoffen ist in Tabelle 2 aufgelistet. Neben dem Normalbetrieb sollte auch schon während der Planungsphase die Desinfektion des Kühlwasserkreislaufes bedacht werden und etwaige materialverträgliche mikrobizide Wirkstoffe benannt werden.

Neben den technischen Anforderungen beeinflussen auch regulatorische Aspekte die Fahrweise und Behandlung des Kühlwasserkreislaufes, insbesondere der Anhang 31 der Abwasserverordnung ist hierbei zu beachten. Ein klassisches Beispiel stellt die Direkteinleitung des Kühlwassers in ein Gewässer dar. So kann es zu Auflagen kommen, die die Auswahl an mikrobiziden oder korrosionsinhibierenden Wirkstoffen limitieren. Um unter diesen Umständen einen hygienischen Betrieb der Verdunstungskühlanlage zu erreichen, sind eventuell höhere Anforderungen an die Zusatzwasseraufbereitung zu stellen. Eine weitere Maßnahme stellt die Anpassung der Eindickung des Zusatzwassers im Kühlkreislauf dar. Hierbei wird zur Verringerung der Korrosivität des Wassers eine geringere Eindickungszahl (Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit) vorgesehen, mit dem Nachteil eines erhöhten Zusatzwasserbedarfs.

Zur Überwachung der Kühlwasserbehandlung bedarf es neben der regelmäßigen in Augenscheinnahme der Verdunstungskühlanlage auch der chemisch-analytischen und mikrobiologischen Untersuchung des Kühlwassers. Die Bewertung der Wasseranalyse erfolgt anhand der Festlegung von Grenz- und Sollwerten. Neben den durch Regelwerke vorgegebenen mikrobiologischen Parametern (Gesamtkeimzahl, Pseudomonas aeruginosa und der Konzentration an Legionellen) gibt es auch an das System angepasste Parameter. Diese haben ihren Ursprung zum Beispiel in Vorgaben der Hersteller von Komponenten (Verdunstungskühlanlage, Wärmetauscher…), durch die Kühlwasserbehandlung oder regulatorische Vorgaben. In Bild 8 sind die relevantesten Faktoren dargestellt.

Da das Kühlwasser maßgeblich zur Hygiene beiträgt, sind dessen Behandlung und Überwachung ein relevanter Aspekt der Gefährdungsbeurteilung unter hygienischen Gesichtspunkten.

Hygienische Prozesssteuerung

Eine hygienische Prozesssteuerung sieht vor, dass der Kühlwasserkreislauf gleichmäßig mit Kühlwasser umgewälzt wird, die Leistung in Abhängigkeit der Temperatur abgefahren wird, wichtige Betriebsgrößen (z. B. Füllstand der Kühlturmwanne, Betriebszustände der Umwälzpumpe) gemessen werden und Anlagen zur Kühlwasserüberwachung und Behandlung installiert sind.

Gerade der Kühlwasserüberwachung und Behandlung kommt ein zentraler hygienischer Aspekt zu.  In Bild 9 und 10 ist eine beispielhafte Anlage der Firma AQUATECH GmbH abgebildet.

Die komplett vormontierte und betriebsbereit gelieferte Anlage besteht aus einem Technik- (Bild 9) und Lagercontainer (Bild 10). Im Technikcontainer wird das Kühlwasser über eine Armaturentafel geführt, auf der relevante Parameter wie der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit gemessen und die Kühlwasseradditive dosiert werden. Über eine SPS-basierte Steuerung werden die Messdaten gesammelt, ausgewertet, archiviert und zur Datenübertragung zur Verfügung gestellt. Die Kühlwasserbehandlungsanlage kann über ein berührungssensitives Display beobachtet und gesteuert werden. Im zweiten Container erfolgt die Lagerung der Kühlwasseradditive entsprechend den Forderungen der einschlägigen Gesetze und Verordnungen.

Organisatorische Maßnahmen

Zur Erfüllung der hygienischen Anforderungen an die Planung und den Betrieb wird von den involvierten Personen eine Qualifikation gefordert. Diese kann über eine eintägige Hygieneschulung nach VDI 2047 Blatt 2 erlangt werden. Die Inhalte der Schulung bilden eine gute Grundlage zu Planung und Betrieb von Verdunstungskühlanlagen, jedoch sollte auf fachmännische Beratung nicht verzichtet werden.

Die VDI 2047 Blatt 2 enthält eine ausführliche Beschreibung zur Erstinbetriebnahme, die in Bild 11 dargestellt ist. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Dokumentation, die sich aus einer Gefährdungsanalyse unter hygienischen Aspekten, einer Betriebsanleitung und der Führung eines Betriebstagebuches zusammensetzt.

Das Betriebshandbuch soll neben den Listen zur Planung von Inspektions- und Wartungsarbeiten auch die Außerbetrieb- und Wiederinbetriebnahme der Anlage einschließlich der Desinfektionsmaßnahmen enthalten.

Neben den oben genannten Arbeiten sind auch regelmäßige Untersuchungen des Kreislaufwassers auf mikrobiologische, korrosionschemische und ablagerungsrelevante Parameter zu untersuchen. Insbesondere die Häufigkeit der mikrobiologischen Untersuchungen und die Bewertung der Befunde werden zukünftig durch die 42. BImSchV festgesetzt.

Hygienische Überlegungen bei der Wahl der Verdunstungskühlanlage

Aufgrund der wachsenden hygienischen Anforderungen an Verdunstungskühlanlagen gilt es schon im Rahmen der Planung zu überlegen, welche Alternativen zu einem offenen oder hybriden Kühlturm bestehen. Tabelle 3 zeigt eine Aufstellung der zur Verfügung stehenden Systeme und ausgewählte technische Daten.

Während Trockenkühler bei den üblicherweise zu erzeugenden Kühlwassertemperaturen von <35 °C nicht in Betracht gezogen werden können, stellen Rückkühler mit adiabater Vorkühlung eine hygienische Alternative dar, die vorwiegend mit Luftkühlung betrieben werden und in Abhängigkeit der Außentemperatur, die Luft vor Eintritt in den Wärmetauscher, durch Verdunstung von Sprühwasser, adiabat abkühlen. Limitierend hierbei ist jedoch, dass pro Megawatt abzuführender Wärmemenge, im Vergleich zum offenen oder hybrid Kühlturm, ein deutlich höherer Platzbedarf erforderlich ist.

Bei den anfänglich gebauten Rückkühlern mit adiabater Vorkühlung kam das Sprühwasser noch direkt in Kontakt mit dem Wärmetauscher und führte zu Schäden an den Lamellen. Infolgedessen erhöhte man die Anforderungen an die Sprühwasserqualität, da eine Behandlung des Sprühwassers zur Verbesserung der Hygiene, aufgrund der wasserchemischen Gegebenheiten, nicht zielführend ist. Als Weiterentwicklung kamen Varianten mit Befeuchtungsmatten (PADS) hinzu. Das Bild 12 zeigt einen solchen Rückkühler der Firma Refrion Deutschland GmbH, einen „Ecooler“. Hierbei können die PADS zur adiabaten Vorkühlung mit Wasser im Durch- oder Umlauf befeuchtet werden. Der große Vorteil liegt darin, dass im Vergleich zum Kühlturm und den Rückkühlern mit adiabater Vorkühlung gar keine Aerosole versprüht werden und das Befeuchtungswasser nicht in Kontakt mit dem Wärmetauscher treten kann, sodass keine so hohen Anforderungen an die Wasseraufbereitung gestellt werden.

Trotz der oben genannten Vorteile gegenüber offenen und hybriden Verdunstungskühlanlagen gelten für den Betrieb von Rückkühlern mit adiabater Vorkühlung die gesamten Forderungen der VDI 2047 Blatt 2 an den hygienischen Betrieb.

Schlussbemerkung

Abschließend kann man sagen, dass die Anforderungen an den hygienischen Betrieb von Verdunstungskühlanlagen durch die VDI 2047 Blatt 2 und die vor der Verabschiedung stehende 42. BImSchV gestiegen sind und bereits in der Planung einsetzen. Für den Betreiber wird eine intensivere Überwachung und Wartung gefordert, die andererseits die Wirtschaftlichkeit und Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Die Kühlwasserbehandlung, als ein zentrales Element der Hygiene, sollte möglichst früh in die Planung mit einbezogen werden.