Unterschiede zwischen geschlossenen und offenen Kühltürmen
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Das Kühprinzip einer offenen Kühlturmuhr besteht darin, dass das zirkulierende Wasser in Form von Sprühnebel auf die aus Glasfaser bestehenden Füllmaterialien gesprüht wird. Durch den Kontakt zwischen Wasser und Luft findet ein Wärmetausch statt. Anschließend sorgt eine Luftpumpe dafür, dass die Luft im Turm zirkuliert. Dadurch werden die mit dem Wasser gewärmten Luftströme nach außen geführt – und somit wird Kühlung erreicht. Bei dieser Kühlmethode sind die Anfangsinvestitionen relativ gering, doch die Betriebskosten sind hoch (Wasserverbrauch, Stromverbrauch). 2. Das Kühprinzip einer geschlossenen Kühlturms besteht, vereinfacht gesagt, aus zwei Zyklen: einem inneren Zyklus und einem äußeren Zyklus. Ohne Füllmaterial ist der Hauptkern ein Außentemperaturkühler aus Kupferrohr. ①Innenkreislauf: Verbindung mit dem Gerät – es entsteht so ein geschlossenes Kreissystem (das Kreislaufmedium ist Weichwasser). Zur Kühlung der Zielgeräte wird die Wärme aus diesen in die Kühlanlage geleitet. ②Außencirkulation: In der Kühlturms zur Kühlung des Kühlturms selbst. Es kommt nicht in Berührung mit dem Wasser im Inneren des Kreislaufs, sondern die Wärme wird nur über die Kupferrohre im Kühlturm abgegeben. Bei dieser Kühlmethode wird die Betriebsart des Motors durch automatische Steuerung in Abhängigkeit von der Wassertemperatur geregelt. Zwei Zyklen: In den Sommern und Frühjahren, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, müssen zwei Zyklen gleichzeitig laufen. In den Herbst- und Wintermonaten sind die Umgebungstemperaturen nicht hoch, weshalb in den meisten Fällen nur eine innere Zirkulation ausreicht. Geschlossene Kühltürme, auch als abgeschlossene Kühltürme bezeichnet, kurz: geschlossene Türme. Die geschlossene Kühlturm-Technologie geht auf die Verdunstungskühler zurück; tatsächlich handelt es sich dabei um einen Wärmeaustauscher, der die Eigenschaften von wassergekühlten Kühlern sowie herkömmlichen Kühltürmen miteinander verbindet. Es handelt sich somit um einen Wärmeaustauscher, der zwischen wassergekühlten und luftgekühlten Systemen angesiedelt ist. Deshalb bezeichnen einige Hersteller ihn auch als „Verdunstungsluftkühler“. Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten solcher Kühlaggregate. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass außerhalb des Wärmetauschers Wasser versprüht wird und eine gezwungene Belüftung stattfindet. Die Wärme überträgt sich von der zu kühlenden Flüssigkeit im Wärmetauscher über die Wandflächen auf das versprühte Wasser. Von dort aus wird die Wärme durch die gezwungene Konvektion zwischen dem Wasser und der Luft an die Luft weitergegeben. Die Wärmetransfer vom Wasser zur Luft erfolgt hauptsächlich durch die latente Wärme beim Verdampfen des Wassers sowie durch den spezifischen Wärmetausch zwischen dem Wasser und der Luft. Da die gekühlte Flüssigkeit im Wandwärmetauscher in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Gerät und der Umgebungsluft zirkuliert, wird sie im Gegensatz zu herkömmlichen Kühltürmen, in denen die gekühlte Flüssigkeit direkt mit der Luft in Kontakt kommt, als „geschlossener Kühlturm“ bezeichnet. Entsprechend werden herkömmliche Kühltürme als „offener Kühlturm“ bezeichnet.
Kühltürme werden in der Regel durch Elektromotoren angetrieben – diese wiederum nutzen Kupplungen, Antriebswellen und Reduziergetriebe, um die Lüfter des Kühlturms in Gang zu setzen. Die Lüfter sorgen dafür, dass das in den Kühlturm strömende Wasser schnell abgekühlt wird. Anschließend wird das Wasser mit Hilfe von Pumpen unter Druck gesetzt und zu den Geräten geleitet, die gekühlt werden müssen. Danach fließt das Wasser wieder in den Kühlturm zurück, wo es erneut abgekühlt wird. Auf diese Weise wird das Kühlmittel im Kreislauf verwendet. Die Zirkulation des industriellen Kühlmittels zwischen den Wärmeaustauschgeräten und den Kühltürmen wird durch Wasserpumpen angetrieben. Bei der Planung, Herstellung, Auswahl sowie Nutzung dieser Systeme wird aufgrund verschiedener Faktoren wie Zuverlässigkeit eine ausreichende Förderkraft und Durchflussrate der Pumpen berücksichtigt. Dies zeigt sich insbesondere in den folgenden Punkten: 1. Die Menge an Wasser in jedem Zirkulationsystem lässt sich nur schwer genau berechnen. Um einen sicheren Betrieb sowie weitere Aspekte zu berücksichtigen, addieren Prozessingenieure bei der Berechnung der erforderlichen Wassermenge mindestens 10–20 % Puffer, um eine ausreichende Förderleistung der Pumpen zu gewährleisten. Dadurch ist die Gesamtmenge an Wasser im System immer ausreichend. 2. Im gesamten Kreislaufwassersystem weist jedes Rohrabschnitt sowie jede Biegung einen bestimmten Widerstand auf. Zudem führen die Höhe der Kühltürme, der Widerstand der Wärmetauschkomponenten sowie die Druckanforderungen zu weiteren Widerständen im System. Diese Widerstände lassen sich nicht genau berechnen. Deshalb sind die von den Prozessingenieuren berechneten Werte nur Schätzungen. Bei der Auswahl der Pumpe muss daher ein Sicherheitsfaktor von mindestens 10–20 % hinzugerechnet werden, damit die Anforderungen der Produktion erfüllt werden können – im gesamten Kreislaufsystem muss also ausreichend Druck vorhanden sein. Doch diese Energien wurden in der Vergangenheit im System einfach verschwendet. Die Turbine nutzt diese überschüssige Energie voll aus, um den Antrieb des Lüfters zu bewirken. Ein wassergeführter Lüfter wird, wie der Name schon sagt, durch Wasserkraft angetrieben und nicht durch herkömmlichen Strom. In Kühltürmen mit wassergeführten Lüftern wird anstelle eines Motors eine Turbine als Antriebsquelle für die Lüfter verwendet. Die Antriebskraft der Turbine stammt vom überschüssigen Durchfluss und vom überschüssigen Druck des Systems. Nach der Umgestaltung fließt das von der Pumpe gelieferte Warmwasser durch die Turbine und setzt diese in Bewegung. Die Ausgangswelle der Turbine ist direkt mit dem Lüfter verbunden, wodurch dieser in Bewegung gesetzt wird.
Eine Kühlturm ist eine Vorrichtung zur zirkulierenden Wärmeableitung. Sie nimmt die im Produktionsprozess entstehende Abwärme über zirkulierendes Wasser auf. Dieses Wasser wird in den Turm geleitet und auf die Füllmaterialien gesprüht. Dort kommt es in Kontakt mit der Luft, wodurch die Wärme in die Luft abgegeben wird und die Temperatur des zirkulierenden Wassers sinkt. Durch die Mischung und Berührung von kaltem und warmem Fluid im Turm wird mithilfe der Temperaturdifferenz das zu kühlende Objekt in Kontakt mit dem Kühlmittel gebracht, wodurch das Wasser in die Luft verdampft und somit eine Kühlwirkung erzielt wird. Im Folgenden werden die Standards zur Steuerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Auswasser der Kühltürme erläutert: Die Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Auswasser der Kühltürme ist eine der effektivsten Methoden, um die Kühlleistung zu bewerten. Zudem handelt es sich dabei um einen wichtigen Parameter bei der Auswahl von Kühltürmen. In der Regel beträgt bei zivilen Kühltürmen die Standardtemperatur des Einwassers 37 °C und die des Auswassers 32 °C. Die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auswasser beträgt somit 5 °C℃ ； Die Betriebsbedingungen für Industriekühltürme werden in der Regel in Bereiche wie 65°C–45°C, 43°C–33°C und 40°C–32°C unterteilt. Der Temperaturunterschied zwischen dem Wasser am Eingang und am Ausgang des Turms kann 8°C–20°C betragen. Während des Betriebs muss die Kühlanlage so funktionieren, dass alle Komponenten frei zugänglich sind – es dürfen keine Verstopfungen auftreten. Häufige Ursachen für Verstopfungen sind verstopfte Rohre oder ein Füllmaterial, das durch zu viel Kalk verstopft ist. Sollte eine Verstopfung auftreten, sollte sie umgehend beseitigt werden, damit der Wasserfluss in der Kühlturm weiterhin ungestört ablaufen kann und somit die Kühlwirkung gewährleistet bleibt.
Der allgemeine Begriff „Kühlturm“ wird verwendet, um Geräte zur direkten (offenen) und indirekten (geschlossenen) Wärmeabfuhr zu beschreiben. Obwohl die meisten eine „Kühlturm als offenes, direktkontaktbasiertes Kühlgerät“ vorstellen, ist der indirekte Kühlturm, manchmal auch als „Kühlturm mit geschlossenem Kreislauf“ bezeichnet, dennoch ebenfalls ein Kühlturm. Eine direkte oder offene Kühlturmkonstruktion ist ein System innerhalb einer geschlossenen Struktur, bei dem das zirkulierende Wasser in Form von Sprühnebel auf einen aus Glasfaser bestehenden Füllstoff gesprüht wird. Das Füllmaterial bietet eine größere Kontaktfläche, wodurch durch den Kontakt zwischen Wasser und Luft ein Wärmetausch stattfindet. Außerdem sorgt ein Lüfter für eine Zirkulation der Luft im Turm und führt die nach dem Wärmetausch mit dem Wasser erwärmte Luft nach außen, wodurch eine Kühlung erreicht wird. Die Füllung kann mehrere Bestandteile umfassen, hauptsächlich vertikale Strukturen, durch die das Wasser, auf dem die feuchten Oberflächen existieren, weitergeleitet wird (Füllung), sowie horizontale Spritzelemente, die zu einer Kaskade kleiner Wassertropfen mit großer Oberfläche führen – also zu mehreren Schichten von Schichten (Spritzer). Indirekte oder geschlossene Kühltürme beinhalten keinen direkten Kontakt zwischen Luft und Flüssigkeit – in der Regel Wasser oder eine Mischung aus Ethylenoxid und Wasser –, die gekühlt werden sollen. Der Unterschied liegt in den offenen Kühltürmen, die indirekt über zwei separate Fluidkreisläufe verfügen. Eines ist das Wasser im externen Kreislauf, das auf der zweiten Strecke verläuft – es handelt sich dabei um einen Kreislauf außerhalb der Rohrpackung (nicht offene Spulen). Dabei wird die heiße Flüssigkeit gekühlt und anschließend im Schlosskreis zurückgeführt. Die Luft wird durch die Zirkulation von Wasser um den gesamten Außenbereich der Wärmeträgerrohre geleitet, wodurch eine ähnliche Kühlwirkung wie bei offenen Kühltürmen entsteht. Der fließende Wärmestrom stammt aus dem inneren Fluidkreislauf, durchquert die Wand der Spulenschläuche, den äußeren Kreislauf und wird anschließend durch das Verdunsten von Luft und Wasser erhitzt, bevor er in die Atmosphäre gelangt. Die Vorgehensweise bei indirekten Kühltürmen ist daher sehr ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Kühltürme geöffnet werden. Dieser Prozess wird durch eine Kühlmittelzirkulation in einem „geschlossenen“ Kreislauf abgewickelt, wodurch das Kühlmittel nicht direkt der Atmosphäre oder externen Wasserströmen ausgesetzt ist. In der Gegenstromkühlturmkühlung fließt die Luft nach oben durch das Füllmaterial oder die Rohrpackungen, während das Wasser gegenläufig nach unten strömt. In Kühltürmen mit Querstrom bewegt sich die Luft horizontal, während das Wasser nach unten strömt. Kühltürme weisen noch eine weitere Eigenschaft auf: Mechanisch belüftete Kühltürme, bei denen Luft mittels von Strom angetriebener Lüfter in den Turm gezogen oder hineingepresst wird, sind umweltfreundlich. Das starke Wachstum der Abgasrohre in Kühltürmen mit natürlicher Belüftung bietet einen Antrieb durch die Luftschwankungen. Kühltürme mit ventilierter natürlicher Belüftung nutzen mechanische Unterdrückung, um den Effekt der Schwerelosigkeit zu verstärken. Viele frühe Kühltürme verließen sich auf Luftströmungen, die durch die Windrichtung erzeugt wurden. Wenn das Kühlmittel vom Kühler zurück in den Kreislauf geführt wird, muss etwas Wasser hinzugefügt werden, um den durch Verdunstung verloren gegangenen Anteil auszugleichen. Da die Verdunstung auch reines Wasser mit einschließt, neigt sich die Konzentration der gelösten Mineralien und anderen Feststoffe im Zirkulationswasser zu erhöhen, es sei denn, durch Maßnahmen zur Kontrolle der gelösten Stoffe wird dies verhindert. Ein Teil des Wassers geht auch durch die mit den Abgasen verbundenen Tropfen verloren, doch dies lässt sich in der Regel auf einen sehr geringen Wert reduzieren, indem man Vorrichtungen einsetzt, die als „Drift-Exclusion“ bezeichnet werden und dazu dienen, die Tropfen aufzufangen. Der Ausgleichsbetrag muss den Verlust durch Verdunstung, Abfluss, Gesamtdrift sowie durch Windböen und andere Wasserverluste ausmachen, um einen stabilen Wasserstand zu gewährleisten.