Offene Verdunstungskühltürme, besser als ihr Image?

Breites Leistungsspektrum für anspruchsvolle Anwendungen

Klimawandel, Coronapandemie und die Ukrainekrise haben in der Industrie zu steigenden Kosten bei Material und Energie gesorgt. Um diesem Umstand gut begegnen zu können ist es notwendig effizient mit den genutzten Ressourcen umzugehen.

Gerade im Hinblick auf die zunehmende Klimaerwärmung durch Emission von Treibhausgasen spielen die Faktoren Energieeffizienz und Energieeinsparung eine immer wichtigere Rolle zur Reduktion des ökologischen Fußabdrucks und Umsetzung der Klimaneutralität. Mit einem ökologischen Bewusstsein bietet die MC-Baureihe mit einem COP-Wert (Coefficient of Performance) von 90-110 die optimale Kühllösung im industriellen Sektor. Der COP gibt dabei an, wie viel Energie Kühlleistung aus einem Kilowatt elektrischer Anschlussleistung generiert werden kann und ist stark vom Auslegungspunkt des Kühlturms abhängig. Im Vergleich hierzu liegt der COP-Wert bei herkömmlichen Kompressions-Kältemaschinen zwischen 3-5. [Abbildung 1 „COP-Vergleich“]

Wobei der Vergleich zwischen offenem Verdunstungskühlturm und Kompressions-Kältemaschine nicht ganz sauber ist. Ein Kühlturm kann nur in einem bestimmten Temperaturbereich effizient betrieben werden. Ausschlaggebend hierfür ist die sogenannte Feuchtkugeltemperatur. Diese ist eine Kombination aus Luftfeuchte und Lufttemperatur und ist standortabhängig. Ein Verdunstungskühlturm kann theoretisch Wasser bis auf diese Feuchtkugeltemperatur abkühlen. Praktisch ist aber lediglich eine Annäherung an diese Temperatur von 3°K möglich, man spricht in diesem Zusammenhang vom Kühlgrenzabstand. Des Weiteren darf die Spreizung, d.h. die Differenz zwischen Wassereintrittstemperatur und Wasseraustrittstemperatur, nicht mehr als 30°K betragen.

Eine Kompressions-Kältemaschine kann dagegen das Prozesswasser bis auf 4°C, Wasser-Glykol-Gemische auch bis unter 0°C, abkühlen. Um den COP einer Gesamtanlage weiter zu steigern ist es sinnvoll thermische Energie bereits im Vorfeld anderweitig zu nutzen.

Insbesondere in Kombination mit Wärmerückgewinnungssystemen kann die überschüssige Wärmeenergie effektiv für Prozesse wiederverwendet und zugleich elektrische Energie und Wasser aufgrund eines niedrigeren Kühlleistungsbedarfs eingespart werden.

Die Kühltürme der Multi Kühlsysteme GmbH sind die richtige Wahl, wenn es um anspruchsvolle Rahmenbedingen und fachliche Expertise aus 30 Jahren Kühlturmbau geht.

Der Kühlturm an sich ist ein Wasser-Luft-Wärmetauscher. Im Kühlturm wird das zu kühlende Wasser in direkten Kontakt mit der Luft gebracht. Bei diesem, im Gegenstrom verlaufenden Vorgang, gibt das herabfließende warme Wasser durch Verdunstung und Konvektion die Wärme an die aufsteigende Luft ab. [Abbildung2 „Kühlturmschema“]

Das warme Wasser wird mittels Düsen von oben gleichmäßig über Rieselkörper (Füllkörper) verteilt. dabei sind die Düsen speziell für den Einsatz in Industrieprozessen konzipiert und setzen sich bei regelmäßiger Wartung nicht zu.

Im Gegenstrom wird Umgebungsluft vom Ventilator durch die Lufteintrittskassetten angesaugt und durch den Kühlturm geleitet. Als positive Eigenschaft dieser Bauweise ist hier die reduzierte Aufstellfläche hervorzuheben. Bei Aufstellsituationen mit geringem Platzangebot ist hier der Kühlturm mit Axialventilator dem Kühlturm mit Radialventilator überlegen. Der Vorteil des Radialventilators besteht in seiner Laufruhe und der geringen Geräuschemission, die ihn besonders interessant für die Aufstellung in besiedelten Gebieten machen. Um diesen Nachteil zu kompensieren kann der axial belüftete Kühlturm mit einem Kulissenschalldämpfer ausgestattet werden. Dies ist jedoch in der Planungsphase zu berücksichtigen, da die Druckverluste durch den Schalldämpfer nicht zu vernachlässigen sind und ein Ventilator mit höherer Leistung verbaut werden muss.

Der Hauptanteil der Kühlung entsteht bei der Verdunstung eines Teils des Wassers in dieser Luft durch Entzug von Verdunstungswärme, ein kleinerer Teil durch Konvektion (Wärmeübergang von warmem zu kaltem Medium). Das verdunstete Wasser muss durch Frischwasserzufuhr an geeigneter Stelle ersetzt werden. Der Anteil der Verdunstungsverluste beträgt zwischen 1% bis 3% des gesamten Wasserdurchsatzes und ist abhängig von den Betriebsbedingungen. Um zu vermeiden, dass Tropfen in die Umgebung transportiert werden sind zwischen Wasserverteilsystem und Ventilator Tropfenabscheider integriert. Diese lenken die Luft in einem Winkel von ca. 15° um und fangen somit kleine Tröpfchen, die von der angesaugten Luft mitgerissen werden ab.

Verantwortung gegenüber der Gesellschaft

Rückkühlwerke unterliegen diversen Gesetzen, Vorschriften und Verordnungen. Der Schutz der Bevölkerung steht dabei im Vordergrund. Neben personalspezifischen Regelungen, wie dem Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) und der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV), liegt das Hauptaugenmerk auf dem Schutz vor Immission von Mikroorganismen in die Umgebungsluft.

Die VDI 2047, die 42. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV), das Infektionsschutzgesetz (IfSG) und das Chemikaliengesetz (ChemG) befassen sich dabei mit den Regelungen und Bestimmungen rund um das Thema Reinhaltung der Umgebungsluft.

Der Verband Deutscher Ingenieure (VDI) veröffentlichte im Jahr 2014 einen ersten Entwurf, die den hygienegerechten Betrieb von Verdunstungskühlanlagen bis 200 MW beschreibt. Im Januar 2015 erlangte das Dokument durch die Veröffentlichung den Status einer allgemein anerkannten Regel der Technik. In diesem Regelwerk geht es neben dem hygienegerechten Betrieb auch um die Planung und Errichtung von Verdunstungskühlanlagen.

Der Verstoß gegen allgemein anerkannte Regeln der Technik kann nach §319 StGB mit einer Freiheitsstrafe bis zu 5 Jahre oder einer Geldstrafe geahndet werden.

Im August 2017 trat die 42. Bundesimmisionsschutzverordnung (42. BImSchV) in Kraft, in welcher eine Anzeigepflicht für Anlagen, eine Beprobung der Anlage, sowie das Führen eines Betriebstagebuches vorgeschrieben wird. Somit kann die VDI 2047 als konkretisierendes Regelwerk zur 42. BImSchV beschrieben werden.

Bei massiver Überschreitung der Grenzwerte können Behörden die temporäre Stilllegung der Anlage anordnen. Erfahrungswerte aus den 4 Jahren des Bestehens der 42. BImSchV zeigen jedoch starke Unterschiede zwischen dem Vorgehen und Bewerten der jeweils aufsichtsführenden Behörde. Zusätzlich zur Anzeigepflicht und Pflicht zum Führen eines Betriebstagebuchs resultiert aus dem Betrieb eines offenen Verdunstungskühlturms noch die Pflicht die Anlage einer jährlichen Prüfung durch einen Sachverständigen zu unterziehen.

Auslöser für die Erarbeitung dieser Gesetzestexte und Vorschriften waren mehrere Legionellenvorfälle in Deutschland. 2013 erkrankten in Warstein 165 Menschen, 3 davon verstarben. Nach Untersuchungen der mikrobiologischen Befunde zeigte sich, dass der Erreger „Legionella pneumophila“ Ursache für die Erkrankungswelle war.

„Legionella pneumophila“ – besser bekannt als Legionärskrankheit – sind Bakterien, welche über die Atemwege aufgenommen werden. Es können grippeartige Symptome wie Fieber und Reizhusten beim Inhalieren der Erreger auftreten, sowie starke Lungenentzündungen hervorgerufen werden, welche tödlich sein können.

Die Lebensbedingungen sind in Rückkühlwerken bzw. Kühlkreisläufen ideal. Bei Temperaturen von 25 °C bis 45 °C vermehren sich die Mikroorganismen am besten. Durch die offene Kühlturmbauweise gelangen sie dann bei der Verdunstung in die Umgebungsluft.

Durch eine strengere Regulierung und häufigere Kontrollen sollen weitere Infektionen und Todesfälle verhindert werden.

Die neue Kühlturmbaureihe wird den Vorgaben dieser technischen Regelwerke in Bezug auf konstruktive Ausführung und Bauart durch die Verwendung von rostfreiem Edelstahl und eine Vermeidung von Totstrecken gerecht. Die VDI 2047 macht über die Auswahl der Werkstoff unter dem Punkt 7.3 folgende Aussage:

„Die Auswahl der Werkstoffe im Kühlkreislauf folgt nicht nur statischen Erwägungen, sondern muss auch unter Berücksichtigung der Wasserbeschaffenheit erfolgen. Die verwendeten Werkstoffe müssen unter den gegebenen Betriebsbedingungen gegen Korrosion und die einzusetzenden Reinigungs- und Desinfektionsmittel (siehe Abschnitt 8.7.1.2) beständig sein. Dies gilt während der vorgesehenen Nutzungsdauer und einschließlich erforderlicher In-standhaltungsmaßnahmen, auch Reinigung und Desinfektion.

Werkstoffe, die die Vermehrung von Mikroorganismen begünstigen, dürfen nicht zum Einsatz kommen. Beispielsweise dürfen wasserberührte Kunststoffe, Beschichtungen und Anstriche nicht verstoffwechselbar sein (Prüfung z. B. nach DIN EN ISO 846).“[1]

Rostfreier Edelstahl (1.4301) bietet durch seine hydrophoben Eigenschaften einen wirksamen Schutz gegen die Vermehrung von Mikroorganismen. Um eine entsprechende Eignung des Werkstoffes nachweisen zu können ist es notwendig von jedem Material eine Materialprobe in einem akkreditierten Labor auf Verstoffwechselbarkeit untersuchen zu lassen. Große Hersteller von Kunststoffbauteilen haben dies bereits getan und übermitteln auf Verlangen entsprechende Testzertifikate. Für alle anderen Materialien besteht zudem die Möglichkeit über die strengeren Vorgaben für Trinkwasser geeignete Werkstoff zu finden. Das Umweltbundesamt veröffentlicht zu diesem Zweck sogenannte Positivlisten für Materialien mit Trinkwasserkontakt. In der Liste für Metalle werden dabei alle rostfreien Edelstähle als zugelassen deklariert.

Zur Vermeidung von Totstrecken wird in der VDI 2047 folgende wichtige Aussagen getroffen:

„Stagnation von Wasser ist zu vermeiden.

Verdunstungskühlanlagen sind so zu planen, dass sie einschließlich aller Komponenten

(z. B. Wasserverteilung, interne Rohrleitungen, Pumpen) bei Bedarf möglichst vollständig entleert werden können (siehe Abschnitt 9).“[2]

Die Vermeidung von Totstrecken bezieht sich in dieser Hinsicht auf Flächen auf denen Wasser über einen längeren Zeitraum still verweilen kann und somit Nähr- und Wachstumsfläche für Mikroorganismen bietet. Dies wird erreicht in dem konstruktiv bereits viel Wert auf der Vermeidung von ebenen Flächen gelegt wird. Die Kühltürme der MC-Baureihe verfügen daher neben dem in 2 Achsen geneigten Sprühsystem, welches die Verregnung des Kühlwassers realisiert, auch über eine Auffangwanne, im unteren Teil des Kühlturms, die zu diesem Zweck um 1° minimal geneigt ist. Diese beiden Maßnahmen ermöglichen eine rückstandslose Restwasserentleerung im Inneren und schützen zusätzlich vor Verstopfung durch Eis im Winterbetrieb.

Diese Maßnahmen werden vom Gesetzgeber und den allgemein anerkannten Gremien für technische Standards vorgegeben und haben bindenden Charakter. Darüber hinaus hat die Multi Kühlsysteme GmbH bei der Entwicklung der MC-Kühlturmbaureihe weitere Maßnahmen zur Risikominimierung für Betreiber und Umwelt getroffen.

Stark gegen Mikroorganismen             

Bauart bedingt ist es bei offenen Verdunstungskühltürmen notwendig im Inneren des Kühlturms eine möglichst große Fläche zu schaffen, auf der der Wärmeaustausch zwischen Wasser und Luft stattfinden kann. Diese sogenannten Füllkörper verfügen durch ihren besonderen Aufbau über eine maximale spezifische Oberfläche. Zur Erzielung einer maximalen Oberflächenvergrößerung werden bei der Fertigung mehrere dünne Kunststoffbahnen geprägt, ähnlich der Bläschenstruktur der Lunge bzw. der Struktur des Darms, und zusätzlich miteinander verschweißt. Durch die Verschweißung entstehen Kanäle, die das Wasser durch das gesamte Füllkörperpaket leiten. Aus der Verknüpfung von Materialstärke, Prägung der einzelnen Kunststoffbahnen und der Geometrie der Kanäle resultiert ein optimales Verhältnis von Luftwiderstand und Oberfläche zur Wärmeübertragung. [Abbildung 3 „SANIPACKING-Füllkörper“]

Die Wahl des richtigen Materials spielt an dieser Stelle ebenfalls eine besondere Rolle. Metalle, welche zwar einen sehr guten Wärmeleitfähigkeit aber auch ein sehr hohes Gewicht besitzen, scheiden zudem auch wegen extrem hoher Materialkosten aus. Die Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen hat sich dagegen im industriellen Bereich erfolgreich durchgesetzt. Dabei wird je nach Einsatzgebiet und Wasserparameter in Füllkörper aus PVC (Polyvinylchlorid) und PP (Polypropylen) unterschieden. Für die Anwendung in offenen Verdunstungskühltürmen hat sich dabei PP bewährt.

Um den Schutz vor gesundheitsschädlichen Keimen weiter zu erhöhen finden in der neuen Kühlturmbaureihe ausschließlich Kunststoffeinbauten Verwendung, die aus einem wachstumshemmenden Material gefertigt sind. Das Unternehmen ENEXIO Water Technologies GmbH hat hier mit den Produkten der SANIPACKING®-Reihe Kunststoffelemente entwickelt, welche nachweislich das Wachstum von Mikroorganismen nachhaltig hemmen. Die Komponenten wurden dabei einem Testverfahren nach der japanischen Industrienorm JIS Z 2801, welche vergleichbar mit der ISO 22196 ist, getestet. Bei diesem Testverfahren werden bestimmte Bakterienstämme, hier Legionella pneumophila, auf die Stoffproben aufgebracht und 24 Stunden bebrütet. Nach Ablauf der Brutdauer werden die noch lebenden Organismen ausgezählt und mit einer unbehandelten Materialprobe verglichen. Die Wirkungsdauer dieser Materialeigenschaft beträgt, laut Hersteller, zwischen 3 und 5 Jahren. Multi Kühlsysteme setzt seit 2019 bei allen neuen Produkten und Ersatzteilverkäufen im Zuge einer Wartung auf Komponenten der SANIPACKING®-Produktfamilie.[3]

Um die Immission gesundheitsschädlicher Organismen in die Umwelt zu unterbinden ist in der VDI 2047 sind Maßnahmen zum wirksamen Schutz gegen sogenannten Tropfenauswurf vorgeschrieben.

„Tropfenauswurf muss durch geeignete Tropfenabscheider oder gleichwertige Maßnahmen effektiv minimiert werden. Die Maßnahmen zur Minimierung des Tropfenauswurfs müssen über die gesamte Fortluftfläche wirksam sein. Die maximale Luftgeschwindigkeit im Tropfenabscheider muss niedriger sein als die Durchrissgeschwindigkeit (Grenzwert der Anströmgeschwindigkeit) der Tropfenabscheider (siehe auch Abschnitt 8.4.2.1). Die Tropfenabscheider sollen für Instandhaltungsmaßnahmen demontierbar sein.“

Um dieser Vorgabe gerecht zu werden setzt Multi Kühlsysteme in der neuen MC-Kühlturm-Baureihe ebenfalls auf SANIPACKING®-Produkte aus dem Hause ENEXIO.

Do it, but smart → EC-Motortechnologie

2010 präsentierte ebm papst den ersten Ventilatoren der greenTech-Reihe, die durch die EC-Motorentechnologie einen Wirkungsgrad von bis zu 90% aufweisen.

Der Vorteil der neuen EC-Motorentechnologie liegt im Aufbau des Motors und dessen Ansteuerung. Ein EC-Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor. Die Abkürzung „EC“ wird mit „electronically commutated“ übersetzt. Das Funktionsprinzip basiert auf einem Rotor mit Permanentmagneten. Das heißt das bei einem EC-Motor nicht zwei Bauteile durch elektrische Energie magnetisiert werden müssen, sondern nur eine Komponente.

Durch diese Bauweise ist es möglich über die Polarität des Strators die Drehzahl zu bestimmen. Die dafür notwendige Steuerungstechnik kann sowohl direkt in den Motor integriert, als auch dediziert mit dem Motor verbunden werden. Über die verbaute Steuerelektronik lassen sich dann auch alle Motordaten in Echtzeit abrufen und analysieren.

Bei einem konventionellen AC-Motor (Asynchronmotor) kann die Steuerung der Drehzahl nur über einen Frequenzumrichter erfolgen, d.h. die Frequenz von standardmäßig 50 Hz wird umgerichtet auf eine niedrigere Frequenz. Somit wird eine niedrigere Drehzahl realisiert. Ein großer Nachteil dieser Technologie ist, dass der Frequenzumrichter seinerseits ebenfalls Verlustleistung generiert. Das heißt der Wirkungsgrad eines AC-Motors mit FU liegt weiter unter dem eines EC-Motors.

Die Ventilatoren der MC-Kühltürme setzen trotzdem auf Ventilatoren mit AC-Motor.

Grund ist die sehr schlechte Disponibilität von Ventilatoren mit EC-Motoren aufgrund der schwierigen Materialverfügbarkeit bei Elektronikbauteilen. Nichts desto trotz können Kühltürme der Multi Kühlsysteme GmbH auf Wunsch auch mit EC-Ventilatoren ausgestattet werden.

Vorsprung durch Innovation    

Die Anforderungen, die an ein Produkt gestellt werden können sehr hoch sein. Insbesondere, wenn das Produkt als Nachfolger für eine beendete Produktlinie dienen soll. Die Multi Kühlsysteme GmbH hat bis 2016 GFK-Kühltürme mit Axialventilator hergestellt. Die neue Generation von Verdunstungskühltürmen ist an neuralgischen Stellen verbessert worden und hat Trends der Wirtschaft erfolgreich umgesetzt.

Zur Belegung dieser These sollen folgende Beispiele dienen.

Der Wechsel des Grundwerkstoffes weg von glasfaserverstärktem Kunststoff hin zu einem Produkt aus Edelstahl. Hier wird sowohl dem Gedanken der Beständigkeit gegenüber Sonneneinstrahlung als auch dem der Recyclebarkeit am Ende des Produktlebenszyklus Rechnung getragen. Des Weiteren wurde komplett auf die bitumenhaltige Dichtmittel verzichtet, was ebenfalls der Recyclebarkeit und der Beständigkeit gegenüber Mikroorganismen erhöht.

Durch eine zweiteilige Bauweise aus Unterteil und Haube mit Ventilator ist es möglich die Kühltürme ohne Sondertransport per LKW zu verschicken. Am Bestimmungsort ist dann nur noch ein Aufsetzen der Haube mittels Kran notwendig. Durch das innovative Rastbolzensystem bedarf es keiner weiteren Montagetätigkeit seitens des Montagepersonals.

Als letztes Beispiel für die signifikante Verbesserung und auch als Alleinstellungsmerkmal verfügen alle Kühltürme der MC-Baureihe über komplett abnehmbare Seitenverkleidungsbleche. Somit wird gewährleistet, dass bei Wartungsarbeiten und Inspektionen alle relevanten Bauteile in Augenschein genommen werden können.

Dafür sind die Seitenverkleidungsbleche lediglich mit sogenannten Dichtleisten geklemmt montiert. Die Dichtleisten werden dabei durch Schweißbolzen an der Grundkonstruktion des Kühlturms fixiert. Dabei spielen die optimierten Geometrien der Dichtleiste und des Verkleidungsblechs eine besondere Rolle für die Abdichtung ohne Dichtmittel. [Abbildung 4 „Dichtleiste mit Seitenverkleidungsblech“]

Literaturverzeichnis

ENEXIO. (01. 03 2016). www.enexio-water-technologies.com. Von https://www.enexio-water-technologies.com/wp-content/uploads/DE-2H-Sanipacking-Fills.pdf abgerufen

VDI, V. d. (2014). VDI 2047-Blatt 2.

[1] VDI 2047-Blatt 2
[2] VDI 2047-Blatt 2
[3] ENEXIO Water Technology GmbH