Praktische Umsetzung
Adiabate Systeme
Bei adiabaten Systemen muss das Wasservollständig verdunstet sein, bevor es den Wärmeübertrager erreicht. In der Praxissieht man häufig Sprühdüsen, die einen feinen Wassernebel gegen den angesaugten Luftstrom sprühen. Berücksichtigt man jedoch die kurze Distanz der Düsen zum Gerät und die Luftgeschwindigkeit, so lässt sich über das Diffusionsgesetz berechnen, dass es auf diese Art unmöglich ist, eine vollständige Verdunstung zu erreichen. Nur bei Tropfengrößen von 5 µm und unter idealen Bedingungen wäre dies erreichbar (Bild 1).
Entscheidend für die Verdunstungsgeschwindigkeit ist die Oberfläche, die das Wasser der Luft zur Verfügung stellt. Je kleiner die Tropfen sind, umso größer ist bei gleicher Wassermenge die Oberfläche. Je kleiner umgekehrt die Oberfläche ist, umso mehr Zeit wird für die Verdunstung des Wassers benötigt. Es gibt deshalb adiabate Systeme mit Verdunstungsstrecken von mehreren Metern, zum Beispiel bei RLT-Anlagen. Trotzdem besteht auch bei solch aufwendigen Systemen die Gefahr, dass einzelne Wassertropfen vom Luftstrom mitgerissen werden und auf den Wärmeübertrager gelangen. Bei einem Sprühsystem, das direkt vor dem Wärmeübertrager gegen den Luftstrom sprüht, gelangt sogar das meiste Wasser in den Wärmeübertrager. Somit hat ein solches System alle Nachteile des befeuchteten Wärmeübertragers, erreicht aber trotzdem nicht dessen Leistung, weil viele Tropfen unverdunstet zu Boden fallen.
Eine andere Möglichkeit, die Oberfläche zwischen dem Wasserfilm und der Luft zu vergrößern, bieten sogenannte Befeuchtungsmatten. Dabei handelt es sich meist um ein Geflecht aus imprägnierter Kartonage oder Kunststoff. Die Matten werden mit Wasser beaufschlagt, die Luft strömt durch die Matten und kann das Wasser aufnehmen (Bild 2). Je nach Dicke, Form und Wassermenge erreichen solche Matten einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent, d. h. die adiabate Abkühlung der Luft beträgt bis zu 80 Prozent der maximal möglichen Abkühlung auf Feuchtkugeltemperatur.
Diese Matten erzeugen jedoch auch einen zusätzlichen luftseitigen Druckverlust, was zu einem reduzierten Luftvolumenstrom bzw. zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der Ventilatoren führt. Dieser Effekt muss in der Gesamtenergiebilanz berücksichtigt werden. Ein weiterer Nachteil der Matten ist ihre Verschmutzung. Sie wirken wie ein Filter, d. h. dass im Luftstrom enthaltene Schmutzpartikel, die bekanntermaßen vor allem im Frühjahr die Wärmeübertrager zusetzen, in den Matten hängen bleiben. Dies erhöht den Druckverlust, senkt den Wirkungsgrad und kann möglicherweise zu Hygiene-Risiken führen. Je nach Verschmutzungsgrad und Wasserqualität müssen die Matten aus den vorgenannten Gründen mehr oder weniger oft erneuert werden. Ihre Lebensdauer liegt unter Idealbedingungen zwischen 2 und 5 Jahren. Je nach Quelle werden auch Austauschintervalle zwischen 18 und 24 Monaten empfohlen. Ein Austausch der Matten ist in jedem Fall sehr kosten- und zeitintensiv.
Befeuchtete Wärmeübertrager
Bei den befeuchteten Wärmeübertragern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Systemen mit und ohne Wasserumlauf. Systeme mit Wasserumlauf haben den Vorteil, dass die Wärmeübertrager mit hohen Wassermengen beaufschlagt werden können und man trotzdem wenig Wasser verschwendet. Durch die hohe Wassermenge werden lokale Austrocknungen vermieden und so die Gefahr von Korrosion und Ablagerungen reduziert. Allerdings sind solche Systeme sehr aufwendig und kostspielig, weil sie unter anderem Abschlämmeinrichtungen und Pumpen benötigen.
Bei den Systemen ohne Wasserumlauf wird frisch aufbereitetes Wasser auf den Wärmeübertrager gegeben. Falls mit Wasserüberschuss gearbeitet wird, tropft das überschüssige Wasser unten ab und kann, wie Regenwasser auch, in das Abwasser eingeleitet werden. Die meisten am Markt erhältlichen Systeme verwenden für die Aufbringung des Wassers Sprühdüsen. Zur gleichmäßigen Wasserverteilung werden häufig sehr viele Düsen entlang des Wärmeübertragers angeordnet. Einige dieser Systeme arbeiten dabei sogar mit hohem Düsenvordruck und benötigen dafür Hochdruckpumpen. Da es jedoch für die Funktion des befeuchteten Kühlers vollkommen irrelevant ist, wie das Wasser auf die Lamellen kommt, ist dieser Aufwand nicht sinnvoll. Viel wichtiger ist es, das Wasser so aufzubringen, dass möglichst keine trockenen Stellen entstehen, an denen sich Mineralien aufkonzentrieren können. Aus diesem Grund sollte auch immer mit einem leichten Wasserüberschuss gearbeitet werden.
Anwendungen und Kosten
Mit dem Einsatz hybrider Rückkühler bzw. Verflüssiger werden unterschiedliche Ziele verfolgt. Sehr häufig kommt ein Befeuchtungssystem zum Einsatz, um die Investitionskosten zu senken. Dies klingt zunächst erstaunlich, weil ja das Befeuchtungssystemzusätzliche Kosten verursacht. Betrachtet man allerdings die Herstellkosten des Trockenkühlers für unterschiedliche Auslegungsbedingungen, so wird deutlich, dass hier ein hohes Einsparpotenzial liegt. Bild 3 zeigt die Investitionskosten für einen trockenen Rückkühler, der Glykol von 45 °C auf 40 °C abkühlen soll, in Abhängigkeit von der Lufteintrittstemperatur.
In Regionen, in denen 35 °C und noch höhere Lufteintrittstemperaturen vorkommen können, würden die Investitionskosten für einen derartigen Kühler in keinem Verhältnis mehr zur tatsächlichen Betriebszeit unter Auslegungsbedingungen stehen. Deshalb werden hier oft Trockenkühler für eine Temperatur von nur 30 °C oder noch weniger ausgelegt, die dann mit einem Wassersprühsystem ausgestattet werden. Dieses kommt dann nur während der wenigen Stunden zum Einsatz, in denen die Auslegungstemperatur überschritten wird. Aufgrund der kurzen Einsatzzeit ist dann auch nur eine einfache Wasseraufbereitung notwendig, deren Kosten sich in Grenzen halten (Bild 4).
Aus energetischer Sicht sind solche Systeme jedoch zu hinterfragen, denn die Auslegung auf die geringere Temperatur bedeutet letztendlich, dass in der überwiegenden Zeit, in der nicht besprüht wird, eine sehr große Temperaturdifferenz am Rückkühler bzw. Verflüssiger herrscht. Bei Kälteanlagen bedeutet dies, dass die Verflüssigungstemperatur und somit der Energieverbrauch über viele Betriebsstunden hinweg unnötig hoch ist.
Ein anderes Ziel, das mit dem Einsatz hybrider Systeme verfolgt werden kann, ist die Einsparung elektrischer Energie am Verdichter durch Absenken der Verflüssigungstemperatur. Das Befeuchtungssystem (Besprühung oder Matten) muss dann allerdings als zusätzliche Investition zum Trockenkühler betrachtet werden. Es muss, um eine Energieersparnis zu erzielen, außerdem für einen viel längeren Zeitraum im Einsatz sein. Die längere Befeuchtungsdauer stellt jedoch auch hohe Ansprüche an die Wasseraufbereitung, die somit deutlich mehr kostet. Ob sich solch eine Investition lohnt, hängt sehr stark von den klimatischen Bedingungen, aber auch vom Verhältnis der Wasserkosten zu den Stromkosten ab, und muss für jeden Einzelfall geprüft werden. Weil jedoch für die genaue Berechnung solcher Systeme oft die notwendigen Hilfsmittel oder einfach die Zeit fehlen, werden teilweise unsinnige Investitionen in Wasseraufbereitungsanlagen und Sprühsysteme getätigt, die sich bei genauer Nachrechnung auch innerhalb von zehn Jahren nicht amortisieren. Die Lebensdauer solcher Systeme ist dagegen oft kürzer.
Es gibt jedoch auch Einsatzfälle, bei denen der Trockenkühler an seine Grenzen kommt oder nicht mehr geeignet ist, und zwar immerdann, wenn Rückkühltemperaturen erreicht werden müssen, die unter den vorherrschen den Umgebungstemperaturen liegen. Dies istfür Hybridkühler jedoch eher die Ausnahme,denn hier werden dann meistens reine Nasskühltürme verwendet. Zu guter Letzt muss noch erwähnt werden, dass es auch Fälle gibt, in denen ein reiner Trockenkühler aufgrund der begrenzten Aufstellfläche oder derSchallanforderungen nicht in Frage kommt.
Regelung
Unabhängig von der Art des Befeuchtungssystems sollte die auf den Wärmeübertrager aufgebrachte Wassermenge geregelt werden. Bei einer Besprühung beispielsweise, die ab einem gewissen Schwellwert der Temperatur zugeschaltet wird, würde die Mediumstemperatur sonst rapide abfallen. Bild 5 zeigt so einen Temperaturverlauf für einen Rückkühler, der ab einer Außentemperatur von 25 °C besprüht wird. Unterhalb von 25 °C werden in diesem Beispiel die Ventilatoren so geregelt, dass die Mediumsaustrittstemperatur konstant auf 35 °C gehalten wird. Wenn schließlich die volle Drehzahl der Ventilatoren erreicht ist und die Temperatur nicht mehr gehalten werden kann, setzt die Besprühung ein, was zu einem starken Abfall der Mediumstemperatur führt (s. rot dargestellter Temperaturverlauf).
Um solche extremen Schwankungen zu verhindern, besteht die Möglichkeit, die Ventilatoren entsprechend nachzuregeln, d. h. mit einsetzender Besprühung müsste die Drehzahl der Ventilatoren deutlich abgesenkt werden. Sinnvoller ist es jedoch, auch die Menge des Sprühwassers entsprechend zu regeln und nur so viel Wasser aufzugeben, wie zur Einhaltung des gewünschten Temperaturniveaus tatsächlich benötigt wird. Für eine solche Regelung gibt es unterschiedliche Methoden. Eine stufenlose Regelung der Wassermenge über den Düsenvordruck ist nur in einem begrenzten Maß möglich und von der Kennlinie der verwendeten Düsen abhängig. Eine Regelung in mehreren Stufen in Kombination mit einer stufenlosen Drehzahlregelung ist jedoch eine sehr gute Alternative. Doch auch dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Die am Markt erhältlichen Geräte haben oft mehrere getrennte Düsenkreisläufe, die dann in Abhängigkeit der Temperatur hinzu- oder abgeschaltet werden. Der Nachteil solcher Systeme ist, dass immer das komplette Gerät besprüht wird, dabei jedoch so wenig Wasser aufgebracht wird, dass das Wasserkomplett verdunstet, was zu den vorher beschriebenen Problemen mit Ablagerungen und Korrosion führen kann. Besser ist es, den Wärmeübertrager abschnittsweise zu besprühen, z. B. pro Ventilatorkammer (Bild 6). Die Besprühung kann dann in jedem Abschnitt mit der vollen Wassermenge erfolgen, der Kühleffekt bzw. die Leistungssteigerung über den ganzen Wärmeübertrager erfolgt dagegen nur in Stufen, was zu geringeren Temperaturschwankungen auf der Medienseite führt. Ein weiterer großer Vorteil dieser Regelungsmethode ist die Tatsache, dass die einzelnen Abschnitte im Jahresmittel weniger lang besprüht werden. Wenn man dies noch durch eine intelligente Regelung so einstellt, dass nicht immer der gleiche Abschnitt zuerst besprüht wird, so kann in Summe eine höhere Besprühdauer für das Gerät erlaubt werden.
Zusammenfassung
Es gibt sehr viele unterschiedliche Systeme hybrider Rückkühler am Markt. Viele davon verwenden zu Unrecht den Begriff adiabat, weil es sich nicht um adiabate Luftabkühlung handelt, sondern um befeuchtete Wärmeübertrager. Adiabate Systeme sind schwer umzusetzen; insbesondere bei Sprühsystemen, bei denen das Wasser gegen die Luftrichtung gesprüht wird, ist der Begriff adiabat völlig fehl am Platz. Vielmehr basiert die Wirkung dieser Systeme auf den vom Luftstrom mitgerissenen Tröpfchen, die dann auf der Oberfläche des Wärmeübertragers verdunsten. Somit handelt es sich bei solchen Systemen um befeuchtete Wärmeübertrager, allerdings mit dem Nachteil, dass ein Großteil des Wassers ungenutzt zu Boden fällt. Sinnvoller ist es, das Wasser direkt auf den Wärmeübertrager zu sprühen, denn die Leistung eines befeuchteten Wärmeübertragers ist erheblich höher als die eines adiabaten Systems. Selbst ein ideal adiabat arbeitendes System, d. h. ein System, das die Luft bis auf Fechtkugeltemperatur abkühlt, kann nicht die Leistung eines befeuchteten Wärmeübertragers erreichen.
Die Funktionsweise eines befeuchtetenWärmeübertragers hängt nicht davon ab, wie das Wasser aufgebracht wird. Die Leistung eines solchen Geräts ist für Hochdrucksysteme nicht anders als für Systeme, die mit geringem Druck arbeiten. Auch eine feine Verteilung mittels zahlreicher Düsen hat keinen Leistungsvorteil gegenüber einer Düsenanordnung, die das Wasser gleichmäßig von oben auf den Wärmeübertrager aufbringt. Wichtig ist vielmehr, dass es möglichst wenige Stellen gibt, die regelmäßig austrocknen. Die Wasseraufbringung von oben mit einem leichten Wasserüberschuss ist deshalb unkritischer hinsichtlich Korrosion und Ablagerungen. Eine sektionsweise Regelung der Besprühung ergänzt diesen Vorteil. Hinzu kommt, dass so eine Regelung im Mittel eine höhere Besprühdauer zulässt, weil nicht immer der ganze Wärmeübertrager befeuchtet wird.
Hinsichtlich Kosten und Energieeffizienz müssen hybride Rückkühler für jeden Anwendungsfall separat betrachtet werden. Je nach Wasserkosten, Stromkosten, klimatischen Bedingungen und jährlicher Betriebszeit ist ein anderes System zu empfehlen. In der Praxis sieht man jedoch häufig Systeme, die sich innerhalb ihrer Lebensdauer nicht amortisieren. -
Dipl.-Ing.(BA) Michael Freiherr
Kälteanlagenbauermeister, Produckt Manager, Güntner AG & Co. KG, Fürstenfeldbruck
Dr. Franz Summerer
Güntner AG & Co. KG, Fürstenfeldbruck
