Lösungen für Verdunstungs­kühlanlagen

Kühlwasser

Kühlwasser wird in verschiedenen Produktionsprozessen eingesetzt, um überschüssige Energie abzuführen. Kühlwasser ist für die moderne Produktion notwendig und macht damit erst den Einsatz von Hochleistungsmaschinen möglich.

Die Zusammensetzung des Wassers ist für eine effektive Kühlung enorm wichtig, hat sie doch maßgeblich Einfluss auf den Wärmeübergang. Belag auf Wärmetauscherflächen (Fouling) sei es durch Kalk, Schlamm oder Biofilm will man daher absolut minimieren. Eine Erhöhung der Kühlwassertemperatur, z.B. bei der Maschinen- oder auch Werkzeugkühlung, würde zu einer geringeren Taktzeit bzw. im schlimmsten Fall zum Ausfall der Produktion führen.

Für die Betriebssicherheit ist daher eine optimale und wirtschaftliche Kühlwasserqualität unabdingbar. Man unterscheidet folgende Kühlsysteme:

  • Kaltwasserkreisläufe, atmosphärisch offen und geschlossen
  • Verdunstungskreisläufe

Kaltwasserkreisläufe

Kühlkreisläufe bzw. Kaltwasserkreisläufe als geschlossene Kreisläufe ausgeführt decken in der Industrie sehr große Temperaturbereiche ab. In der Schwerindustrie gibt es oftmals Temperauren bis über 60°C, in Unikliniken gibt es Kreisläufe mit Temperaturen deutlich unter 10°C. Bei diesen Kreisläufen ist nicht nur die Kühlwassertemperatur interessant, sondern auch die Kenntnis der Werkstoffe, die in den Kreisläufen eingesetzt werden. Die Werkstoffauswahl reicht von Schwarzstahl über Buntmetall bis zu Aluminiumwerkstoffen. Hier ist nicht nur die geeignete apparative Wasseraufbereitung auszuwählen, sondern passende Konditionierungsmittel für die jeweiligen Anforderungen. Im Allgemeinen werden komplexe Korrosionsinhibitoren, zum Teil mit Glykolen, verwendet.

Bei der CWL kommt die Produktgruppe „HEIKORTROL“ mit Einsatztemperaturen bis über 190°C für eine effektive Wasserbehandlung zur Anwendung.

Verdunstungs­kreisläufe

Die Begriffe für Verdunstungskreisläufe sind vielfältig. Bezeichnungen wie

  • Verdunstungskühlanlagen
  • Rückkühlwerke
  • Kühlturmkreisläufe (Begriff für Anlagen >200 MW)

beziehen sich immer auf das Verfahren durch Verdunstung Kälte zu erzeugen. Den gesetzlichen Rahmen für den Betrieb dieser Anlagen wird in der 42. BImSchV gelegt. Weitere Richtlinien, wie z.B. die VDI 2047 stellen den Stand der Technik dar.

Kühlanlagen Funktion

Das Prinzip besteht in der Aufnahme von Wärmeenergie mit der späteren Abgabe an die Umgebung durch Ausnutzung der Verdunstungskälte. Durch Verdunstung von Wasser wird Kälte erzeugt. Dies ist sehr effektiv, insbesondere bei Außentemperaturen von über 30°C und damit reinen Luftkühlern oftmals überlegen.

Wenn Wasser verdunstet, kühlt sich die Oberfläche der Flüssigkeit ab. Diese Verdunstungs-kälte entsteht dadurch, dass die Wassermoleküle mit der größten Bewegungsenergie den Molekülverband in Form von Wasserdampf verlassen. Die austretenden Moleküle nehmen ihre Energie mit und entziehen sie damit dem System.

Gesetzlicher Rahmen

Den gesetzlichen Rahmen für den Betrieb von Verdunstungskühlanlagen, Kühltürmen und Nassabscheidern bildet die Zweiundvierzigste Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (42. BImSchV). 

Zur Minimierung der Immission von Legionellen ist deren Konzentration in der 42. BImSchV als hygienisch relevanter Parameter definiert. „Legionellen“ ist ein Parameter zur Beurteilung der hygienischen Qualität des Nutzwassers. Er umfasst alle Legionellenarten, die nach genormten Verfahren auf einem definiertem Nähmedium anzüchtbar sind und Kolonien bilden.

Wirtschaftlichkeit beim Betrieb

Um Rückkühlanlagen wirtschaftlich zu betreiben sind folgende Faktoren maßgebend:

  • Belagsfreie Wärmeübertragungsflächen – belagsfreie Fahrweise
  • Geringe Absalzrate – wichtig ist die Eindickungszahl (EZ) des Kühlwassers
  • Minimale Korrosionsrate

Fouling

Unter dem Begriff „Fouling“ wird die Bildung von Ablagerungen zusammengefasst. Diese Schichten auf Wärmeüberträgern behindern den Wärmeaustausch signifikant, da sie zu einer Erhöhung des Wärmeübertragungswiderstandes führen. Unter folgenden Arten für Fouling wird unterschieden:

  • Kristallisationsfouling
    Ausfällungen von Salzen bei der Überschreitung dessen Löslichkeit
  • Sedimentation
    Ablagerung von Feststoffen als Sand und Schlamm
  • Reaktionsfouling
    Bildung von Ablagerung durch chemische Reaktion
  • Korrosionsverschmutzung:
    Bildung von Korrosionsschichten auf dem Wärmeüberträger
  • Biologische Ablagerungen:
    Biofilme, Bakterien, Algen, Muscheln

Eindickung

Die Eindickung eines Kühlwassers bezeichnet die Aufkonzentration der Salze in Bezug zum Ausgangswasser. Der Zusammenhang wird durch die einfache Formel deutlich:

EZ= Kühlwasser-Chlorid [mg/l] / Zusatzwasser-Chlorid [mg/l]

Mit der Kenntnis der Zusatzwassermenge der Verdunstungskühlanlage ist der durchschnittlichen Eindickungszahl die Absalzrate einfach bestimmbar:

Absalzung [m³/h]= Zusatzwassermenge [m³/h] / EZ

Korrosion

Korrosion ist für enorme volkwirtschaftliche Schäden verantwortlich und in Kühlanlagen ein großes Thema. Korrosion ist nach DIN 50900 die von der Oberfläche ausgehende, durch unbeabsichtigten chemischen Angriff hervorgerufene schädliche Veränderung eines Werkstoffes. Im Bereich Kühlwasser tritt Korrosion auf als

  • Spaltkorrosion /Grubenkorrosion
  • Pittingkorrosion
  • Elektrochemische Korrosion
  • Unterbelagskorrosion

Eine moderne Kühlwasserbehandlung berücksichtigt alle Faktoren, die zu einer erhöhten Korrosionsrate führen. Mit geeigneten Korrosionsmessstrecken lassen sich Korrosionen identifizieren und damit abstellen. Durch verschiedene Indizes, z.B. dem Langelier-Sättigungsindex, lässt sich die Charakteristik eines Kühlwassers bestimmen, um geeignete Maßnahmen zur umfassenden Kühlwasseraufbereitung zu ergreifen.

Kühlwasser­behandlung

Die Begriffe „Kühlwasserbehandlung“ und „Kühlwasserkonditionierung“  stehen für ein Verfahren, welches das Zusetzen von Korrekturchemikalien in das Umlaufwasser, zum Teil über das Zusatzwasser, einer Rückkühlanlage beschreibt, um die Eigenschaften des zu konditionierten Wassers einzustellen. Die Dosierung erfolgt mittels Dosierpumpen, bei Korrosionsinhibitoren und Stabilisatoren in der Regel mengenproportional zum Zusatzwasser. Diese Produkte fassen wir in unserer Produktlinie „STABITROL“ zusammen. Biozide sollten ausschließlich als Stoßdosierung ausgeführt werden, um Adaptionen an Mikroorganismen zu verhindern und den einschlägigen Verordnungen zu genügen. Kühlturmsteuerungen übernehmen die bedarfsgerechte Dosierung der Biozide und regeln auch die konstante Eindickung z.B. über die Leitfähigkeit. Biozide werden in der Produktgruppe „BIOTROL“ zusammengefasst, oxidierende Biozide in der Produktgruppe „OXYZID“.

Immer sollte gelten: Erst die Technik, dann die Chemie.

Eine Konditionierung kann je nach Anforderung folgende Funktionen haben:

  • Korrosionsinhibitorische Eigenschaften
  • Stabilisierende Eigenschaften (belagsfreie Fahrweise)
  • Biozide Eigenschaften
  • Reinigende Eigenschaften

Auswahl der Konditionierungs­mittel und der MSR-Technik

Die Auswahl der Konditionierungsmittel und der MSR-Technik hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Qualität des Zusatzwassers: Stadtwasser, Oberflächenwasser, Brunnenwasser, Stadtwasser, im Einzelfall Kondensat
  • Art der apparativen Wasseraufbereitung: Weichwasser, Permeat, VE-Wasser,
  • Bauart des Rückkühlwerkes und Materialauswahl des Kreislaufes
  • Temperatur des kritischen Wärmtauschers
  • Temperatur des Kreislaufwassers

Zu berücksichtigen ist die Abwasserverordnung und Anhang 31 für Kühlsysteme und Dampferzeugung.

  • Aufgrund der Komplexität des Themas und um alle Einflussfaktoren zu berücksichtigen, empfehlen wir den CWL-Check mit Auswahl des optimalen Betriebspunktes

Systemanalyse bei Ihnen vor Ort

Mit unserem "CWL-Check" checken wir Ihr Dampfkessel- oder Kühlwassersystem auf Herz und Nieren und liefern Ihnen eine vollständige Analyse mit konkreten Verbesserungsvorschlägen.