Ressourcenschonende Hybridkühltürme
Um den Bereich der Hybridkühltürme zu beleuchten, ist es vorrangig wichtig, den Begriff des Hybridkühlturms zu definieren und ebenso von anderen Typen abzugrenzen. In diesem Beitrag werden die Gründe für den Einsatz der Hybridtechnik aufgezeigt, Beispiele für verschiedene Hybridkühltechniken sowie Anregungen für richtige Auslegung und den Betrieb gegeben.
Hybridtechnologie ist mittlerweile zu einem Modewort verkommen, das in allen Industrien und Produkten inflationär verwendet wird. Die Ursachen liegen im Wesentlichen im Marketing und der omnipräsenten Verbindung zu Umweltfreundlichkeit und Ressourcenschonung.
Im Wesentlichen symbolisiert dies jedoch die Parallelnutzung von zwei verschiedenen Prinzipien, Technologien oder Konzepten. Im Bereich des Kühlturmbaus sind dies Nass- und Trockenkühlung, die mit einem Hybridkühlturm gleichermaßen genutzt werden und je nach Anwendung und Anforderung unterschiedlich ausgelegt und gefahren werden. Zum Einen wird hierbei unterschieden zwischen Bauweise des Turms und der Integration des Trockenkühlteils. Zum Anderen spielt auch der Umschaltpunkt zwischen Trocken- und Nasskühlung eine Rolle, da er die Dimensionierung der beiden Konzepte maßgeblich beeinflusst.
Grundsätzlich ist festzustellen, dass Hybridtechnik im Kühlturm die Investitionspreise für Kühltechnik erhöht. Erforderliche Motorleistungen führen zu mehr Leistungsbedarf, so dass die Betriebs- und Wartungskosten ansteigen. Wie Bild 1 aufzeigt, sind diese Mehraufwendungen nicht unerheblich.
Gründe für den Einsatz von Hybridtechnik
Dies wirft die Frage auf, warum Hybridtechnik genutzt und spezifiziert wird. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Zum Einen sind es lokale Bestimmungen, die gewisse Wasserersparnisse oder Schwadenfreiheit erfordern. Zum Anderen können es Wünsche des Kunden sein, die die Vorteile beider Kühlkonzepte kombinieren möchten. Reine Trockenkühlung kann zu sehr großen Anlagen und damit zu noch höheren Investitionskosten führen, reine Nasskühlung zu nicht unerheblicher Schwadenbildung und Wasserverlusten, wie auch der Gefahr der Eisbildung im Winterbetrieb – nicht nur im und am Kühlturm selbst, sondern auch in der Umgebung durch den sich niederschlagenden Schwaden. Ein weiterer Vorteil kann in einigen Hybridlösungen der geschlossene Kreislauf sein, der somit eventuell aggressives oder verschmutztes Wasser vom Nassteil des Kühlturms fernhält und somit keinen Schaden in Kühleinbau, Struktur oder Wasserverteilung anrichten kann. In diesen Systemen lassen sich daher sehr effiziente Nasskühleinbauten verwenden, die auch zu verringerten Kühlturmgrößen und somit auch relativ zu geringeren Investitionskosten führen.
Beispiele von Hybridkühltürmen
Folgend sind einige Beispiele von Hybridkühltürmen aufgezeigt, die am Markt verfügbar sind und Konzepte der Nass-/Trockenkühlung darstellen.
Bild 3 zeigt einen „klassischen“ Hybridkühlturm, der in verschiedensten Größen am Markt verfügbar ist. Vertikal angeordnete Rohrbündelwärmetauscher mit Wasserkammern werden hierbei zuerst vom Heißwasser durchströmt; es sind Teilströme, aber auch 100 %-Lösungen denkbar. Der Trockenteil ist hier gewöhnlich nicht vom System entkoppelbar. Mischerscheiben im oberen Teil des Kühlturms sorgen für gleichmäßige Vermischung der Luftströme von Nass- und Trockenkühlteil.
Bild 4 zeigt einen Hybridkühlturm mit liegendem, horizontal ausgerichtetem Wärmetauscher mit direkter Beregnung. Varianten sind mit zusätzlichem Kühleinbau denkbar wie auch mit einem rein beregnetem Bündel. Dieses System bietet im Gegensatz zum ersten Konzept einen geschlossenen Kreislauf.
Bild 5 zeigt ebenso einen geschlossenen Kreislauf. Im oberen Teil ist ein klassischer Kreuzstromkühleinbau verbaut, im unteren Teil Schlangenrohrbündel. Beide Systeme können unabhängig voneinander betrieben werden.
Bild 6 zeigt ein Konzept mit Standardnasskühlturm und Plattenwärmetauscher in einem separaten Gebäude, zusammen mit Filtern, Pumpen und chemischer Behandlung. Dies gewährleistet einen geschlossenen Kreislauf und bietet viel Flexibilität bei der Auslegung und Montage von Trocken- und Nassteil, da es separat verbaut wird.
Der Kühlturm in Bild 7 besteht aus einem neuartigen Konzept in der Hybridtechnik. Der Trockenteil wird über Luftkanäle von außen versorgt und führt zu Wasserersparnissen und Schwadenreduktion. Zudem bietet die neuartige Anordnung Vorteile bei Gesamtgewicht und Lastverteilungen des Kühlturms z. B. verglichen mit dem in Bild 3 gezeigten klassischen Hybridkühlturm mit außenliegenden Bündelwärmetauschern.
Maßgebliche Faktoren bei der Kühlturm-Konzeption
Es stellt sich also die Frage, wie solche Kühltürme so ressourcenschonend wie möglich konzipiert werden können. Hierbei muss in verschiedene Kategorien unterteilt werden. Alles basiert im Wesentlichen auf den lokalen und kundenspezifischen Anforderungen. Dennoch sind drei maßgebliche Faktoren zu unterscheiden: Material bzw. Konstruktion, Energieaufwand und Wasserverbrauch beim Normalbetrieb.
Umfassend lässt sich also hierbei der Lebenszyklus des Kühlturms betrachten, beginnend bei der Produktion des Materials, gefolgt von Lieferung und Montage, bis hin zu Inbetriebnahme, Betrieb, Wartung und Demontage. Ist eine Aussage über Ressourcenschonung des Pakets „Hybridkühlturm“ zu treffen, ist der Gesamtzyklus zu analysieren. Dennoch werde ich mich hier auf die Auslegung und den Betrieb beschränken, da alle weiteren Aspekte projektspezifisch betrachtet werden müssen. Grundsätzlich ist ein Betrieb mit Frequenzumformern anzustreben, um die individuellen Anforderung des Prozesses bzw. der Jahreszeit zu erfüllen und um den Kühlturm energiesparend zu betreiben. Des Weiteren sind Auslegungen zwischen Trocken- und Nassteil möglichst so auszulegen, dass der Trockenteil so häufig wie möglich mitbetrieben wird, um die Wasserverluste zu reduzieren, was speziell in heißeren und trockeneren Gebieten mit Wassermangel einen wesentlichen Faktor spielen kann.
Individuelle Analyse erforderlich
Aus diesen Gründen ist also eine individuelle Analyse der Anforderungen und lokalen Erfordernisse notwendig, um die ideale Kombination aus vertretbaren Investitionskosten, ressourcenschonender Auslegung und Fahrweise zu definieren. Um ein Beispiel neuer Konzepte und Technologien zu demonstrieren, ist das Konzept des „Clearsky“-Turms (siehe Bild 7) dargestellt, der eine neue Methode der Kühlung durch Nass- und Trockenteil veranschaulicht.
Im Gegensatz zum klassischen Hybridkühlturm mit Rohrbündelwärmetauschern wird hierbei ein speziell entwickelter Luft-Luft-Plastikwärmetauscher genutzt, der durch Luftkanäle von außen mit Umgebungsluft versorgt wird, der wiederum dem gesättigten Luftstrom aus dem Nasskühlbereich beigemischt wird. Dies sorgt für eine geringere Schwadenbildung am Luftaustritt, dadurch auch zu geringerer Eisbildung in der Umgebung.
Des Weiteren hat dieses Konzept den erheblichen Vorteil einer geringeren Pumpförderhöhe, da der Trockenteil nicht mit Wasser beaufschlagt wird und sich die Wasserverteilung somit unter diesem befindet. Grundsätzlich bietet ein solcher Turm Vorteile in Energiebedarf, Wasserersparnis und Schwadenreduzierung. Je nach Anwendung kann hierbei auch konstruktiv ein nicht unerheblicher Teil an Material eingespart werden, da es sich nicht um herkömmliche schwere Rohrbündelwärmetauscher handelt. Bei Aufstellungen auf Gebäuden oder auf bestehenden Fundamenten und Unterkonstruktionen kann dies eine wesentliche Rolle spielen.
Grundsätzlich ist also eine projektbezogene Analyse notwendig, um das Optimum für den Prozess, den Standort und spezielle Kundenwünsche zu definieren. Durch die Vielzahl an konstruktiven und auslegungsbezogenen Möglichkeiten sind pauschale Aussagen schwer zu tätigen.
Der Artikel wurde als Vortrag auf der VDMA-Kühlturmtagung gehalten.
