1. Wärmeaustauscher

Systeme zur Übertragung eines Wärmestroms von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom (Heizung, Kühlung).

1.1 Varianten:

     1.1.1 Indirekte Wärmeübertragung
             d.h. die gleichzeitige Wirkung der beiden Stoffströme in benachbarten, durch eine Wand getrennten Räumen (= Grundprinzip des Wärmeaustauschers)

     1.1.2 Halbindirekte Wärmeübertragung
             d.h. Wechselwirkung von zwei Stoffströmen in einem Raum, jedoch zeitlich gegeneinander versetzt (= Prinzip des Wärmespeichers)

     1.1.3 Direkte Wärmeübertragung
             d.h. unmittelbare Berührung der beiden Stoffströme in einem Raum (= Prinzip des Kühlturms)


1.2 Thermodynamischer Prozess:

     1.2.1 Indirekte Wärmeübertragung = ausschließlich Konvektion

     1.2.2 Direkte Wärmeübertragung = kombinierte Wärme- und Stoffübertragung (Konvektion und Verdunstung)


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2. Kühltürme

In einem Naßkühlturm wird ca. 2/3 des Wärmestroms (Abwärme) durch Verdunstung (Stoffübertragung) und nur ca. 1/3 des Wärmestroms durch Konvektion (Wärmeübertragung) an die Umgebungsluft abgeführt.

Bauarten:
Die Einteilung der Kühlturmbauarten erfolgt nach folgenden Gesichtspunkten:

2.1 Belüftung

     2.1.1 Naturzugkühltürme (meist in hyperbolischer Bauform)

     2.1.2 Ventilatorkühltürme mit saugender oder drückender Ventilatoranordnung


2.2 Strömungsprinzip

     2.2.1 Gegenstromkühltürme

     2.2.2 Kreuzstrombauweise


2.3 Bauform

     2.3.1 Rundkühltürme für Kraftwerke

     2.3.2 Zellenkühltürme in Reihen- oder Blockaufstellung

     2.3.3 Standardkühltürme


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3. Kühlturmaufbau

Der Aufbau aller Kühlturmbauarten (Nasskühltürme) ist ähnlich.

3.1 Bautechnischer Teil (Gehäuse)

     3.1.1 Kaltwasserbecken bzw. Wasserauffangschale

     3.1.2 Turmkonstruktion

     3.1.3 Unterstützungskonstruktion


3.2 Kühltechnischer Teil

     3.2.1 Kühleinbau (Füllkörper)

     3.2.2 Wasserverteilungssystem

             - Schwerkraftsystem

             - Drucksystem

     3.2.3 Tropfenascheider


3.3 Maschineller Teil

     3.3.1 Antriebssystem (Getriebe, Weller einschließlich Lager und Kupplungen)

     3.3.2 Elektromotor


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4. Funktion des Kühlturmeinbaus (Füllkörper)

Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Wirkungsweise des Wasserverteilsystems und dem Kühleinbau (Füllkörper). Zur Vergrößerung der Wasseroberfläche (= wirkliche Austauschfläche zwischen Wasser und Luft) soll eine Vielzahl kleiner Wassertropfen gleichmäßig über die Einbaugrundfläche verteilt werden.

4.1 Kühlsysteme

     4.1.1 Tropfenfallsystem:

• Die Wassertropfen treffen auf die Einbauelemente und werden durch den Aufprall weiter aufgeteilt, so dass die Wasseroberfläche ständig vergrößert wird. In den verschiedenen Ebenen erfolgt eine Durchmischung des Wasserstroms, dabei entsteht Turbulenz, die zur verbesserten Abkühlung beiträgt. Die Austauschfläche des Kühleinbaus ist begrenzt (A < 100 m2/Einheit) und erfordert große Fallhöhen. Die Wasserverteilung erfolgt mittels Schwerkraft.

     4.1.2 Filmkühlung:

• Der Kühleinbau besteht aus senkrechten Wänden, die als Grenzfläche zum Kontakt von Wasser und Luft dienen. Dabei soll der Wasserfilm möglichst dünn bleiben, damit eine innige Wasser- / Luftberührung erfolgt und eine laminare Strömung vermieden wird. Durch Verstärkungsrippen („Stolperkanten“) wird gleichzeitig für erneute Turbulenz gesorgt. Die Kontaktzeit zwischen Wasser und Luft lässt sich durch diagonale Anordnung der Kanäle erheblich verlängern. Durch dünne Kunststoff-Folien lassen sich große Austauschflächen (A < 240 m2/m3) erreichen und die Einbauhöhen minimieren. Die Wasserverteilung erfolgt mittels Druck- oder Schwerkraftsystem.

     4.1.3 Die Füllkörper (Kühleinbau aus dünnen Kunststofffolien) sollen die folgenden Eigenschaften aufweisen:

             - effektive Wärmeübertragung

             - gute chemische Beständigkeit und hohe Lebensdauer

             - geringe Verschmutzungsgefahr

             - Eignung für Saison und Dauerbetrieb


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5. Theoretische Kühlturmberechung

Das MERKEL-Verfahren ist heute Grundlage der Kühlturmberechnung und der Leistungsabnahme von Naßkühlturmen (vgl. internationale Normen, z.B.: D: DIN 1947, GB: BS 4485/1+2, USA: CTI-ATP 105, usw.).

Das MERKEL-Verfahren ist heute Grundlage der Kühlturmberechnung und der Leistungsabnahme von Naßkühlturmen (vgl. internationale Normen, z.B.: D: DIN 1947, GB: BS 4485/1+2, USA: CTI-ATP 105, usw.).



Die Skizze erklärt den Gebrauch der Luftenthalpiewerte auch für Wasser.

MERKELsche Hauptgleichung:



Zur praktischen Anwendung haben SPANGEMACHER (D) UND CHILTON (GB) Vereinfachungen vorgeschlagen, die sich lediglich in der reziproken Zuordnung von Wasser- und Luft unterscheiden.

SPANGEMACHER                                              CHILTON



Die Kurven werden in einem doppelt logarithmischen Maßstab aufgezeichnet, ihr Schnittpunkt nennt die erforderliche Kühlturmgröße.

Schema der Gegenstromkühlung



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Quellen:
     Schnell, H.: Symposium 1997