Natürliche Zugkühltürme erklärt

Was sind natürliche Zugkühltürme?

Natürliche Zugkühltürme (auch natürliche Konvektionskühltürme genannt) nutzen das Prinzip des Konvektionsflusses, um die Luftzirkulation zu fördern. Diese Türme sind in der Regel sehr hoch, um einen ausreichenden Luftstrom zu erzeugen. Sie sind kostspielig in der Errichtung und werden nur in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein großer, kontinuierlicher Kühlbedarf über viele Jahre erforderlich ist, wie beispielsweise in einem thermischen Kraftwerk.

Natürliche Zugkühltürme

Wie funktioniert ein natürlicher Zugkühlturm

Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Einführung in Kühltürme Online-Videokurs.

Kühles Kühlwasser wird vom Kühlwasserbecken zum Kraftwerk gepumpt. Das Wasser wird im Prozess erwärmt und seine Temperatur steigt. Das erwärmte Kühlwasser wird zurück zum Kühlturm gepumpt, um abgekühlt zu werden.

Natürliche Zugkühlturm-Wassersystem

Das einströmende warme Wasser wird durch Sprühdüsen im Turm verteilt. Diese Düsen verteilen das Wasser gleichmäßig über das gesamte Füllmaterial. Das Wasser fließt nach unten durch das Füllmaterial, während die Luft nach oben strömt.

Natürliche Zugkühlturm-Komponenten

Während das Wasser durch das Füllmaterial nach unten fließt, verdampft ein Teil davon, was das verbleibende Wasser abkühlt (Verdunstungskühlung).

Natürliche Zugkühlturm-Querschnitt

Wenn Luft durch das Füllmaterial strömt, erwärmt sie sich und steigt aufgrund des Kamineffekts (warme Luft ist weniger dicht als kühle Luft und steigt daher auf) an die Spitze des Kühlturms. Die aus dem Turm austretende Luft zieht mehr Luft an der Basis des Turms an, wodurch ein natürlicher Luftstrom von der Basis zur Spitze des Turms entsteht; dies ist der Kamineffekt und er bleibt bestehen, solange Kühlwasser kontinuierlich zirkuliert.

Luft- und Wasserfluss

Gegen- und Kreuzstrom

Natürliche Zugkühltürme können im Gegenstrom- oder Kreuzstrom-Design ausgeführt sein. Kreuzstrom-Natürliche Zugkühltürme haben eine deutlich breitere Basis als Gegenstrom-Natürliche Zugkühltürme.

Gegenstrom-Natürliche Zugkühlturm

Kreuzstrom-Natürliche Zugkühlturm

Vorteile und Nachteile

Vorteile

• Geringe Wartungskosten.
• Geringe Betriebskosten.
• Geringe Systemverluste (typischerweise weniger als 1% des Gesamtflusses).
• Niedriger Geräuschpegel, da keine Ventilatoren verwendet werden.
• Hohe Kühlkapazität.

Nachteile

• Hohe anfängliche Investitionskosten.
• Schwierigkeiten bei der Erlangung einer Baugenehmigung aufgrund der großen Struktur und der ästhetischen Auswirkungen auf die Umgebung.

Winterfestmachung

Natürliche Zugkühltürme können in Umgebungen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden, was dazu führen kann, dass das Wasser im Reservoir gefriert. Es gibt mehrere Methoden, um dies zu verhindern.

1. Entleeren Sie den Turm vom Kühlwasser. Eine einfache und effektive Möglichkeit, die Gefahr von Frostschäden zu vermeiden, macht jedoch das Kraftwerk unbrauchbar.
2. Zirkulieren Sie das Kühlwasser, um eine Temperatur über dem Gefrierpunkt im Kühlwasserbecken aufrechtzuerhalten. Diese Methode wird von den meisten Anlagen verwendet, da sie wirtschaftlich und relativ einfach umzusetzen ist.
3. Fügen Sie dem Kühlwasser Frostschutzmittel hinzu. Dies würde das Einfrieren des Wassers verhindern, ist jedoch aufgrund des großen Wasservolumens im System keine wirtschaftlich tragfähige Lösung.
4. Heizen Sie das Kühlwasserbecken. Diese Option ist normalerweise wirtschaftlich nicht tragfähig.

Warum haben natürliche Zugkühltürme eine so seltsame Form?

Natürliche Zugkühltürme haben aus mehreren Gründen eine sehr einzigartige Form. Der erste Grund ist, dass die Form die Menge an Baumaterial reduziert, die beim Bau eines so großen Turms benötigt wird. Der zweite Grund ist, dass die Paraboloid-Form des Turms den Luftstrom durch den Turm beschleunigt, was die Kühlkapazität des Turms erhöht. Natürliche Zugkühltürme werden manchmal als hyperbolische Türme bezeichnet, obwohl der korrekte Begriff hyperboloid ist.

Was ist der Kamineffekt?

Wenn Luft erhitzt wird, wird sie weniger dicht. Da warme Luft weniger dicht ist als kalte Luft, steigt sie aufgrund des Dichteunterschieds über kalte Luft auf. Dieser Prozess der Trennung von warmer und kalter Luft basierend auf Dichten ist als Kamineffekt oder Schornsteineffekt bekannt.

Zum Beispiel fliegt ein Heißluftballon in der Luft aufgrund der heißen Luft, die sich im Ballon befindet. Die heiße Luft ist weniger dicht als die umgebende Umgebungsluft, weshalb die heiße Luft aufsteigt und den Ballon mit sich zieht.

Heißluftballon

3D-Modellkomponenten

Dieses 3D-Modell zeigt alle Hauptkomponenten eines typischen induzierten Zug-Hyperboloid-Kühlturms, darunter:

• Füllmaterial (Wärmetauscher)
• Sprühdüsen
• Rohrleitungen
• Becken/Reservoir
• Driftabscheider
• Ventilator
• Turmstruktur (Hyperboloid-Turm)

Dies ist ein 3D-Modell eines Natürlichen Zugkühlturms.  

3D-Modell-Anmerkungen

Natürliche Zugkühlturm-Komponenten

Natürliche Zugkühltürme (auch natürliche Konvektionskühltürme genannt) nutzen das Prinzip des Konvektionsflusses, um die Luftzirkulation zu fördern. Sie sind hoch, um einen ausreichenden Luftstrom zu erzeugen. Sie sind auch kostspielig in der Errichtung und werden nur in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein großer, kontinuierlicher Kühlbedarf über viele Jahre erforderlich ist, wie beispielsweise in einem thermischen Kraftwerk.

Sammelbecken (Reservoir)

Das Sammelbecken ist ein Behälter unter dem Kühlturm zur Sammlung des vom Kühlturm gekühlten Wassers; es wird normalerweise aus Beton gebaut. 'Kaltes' Kühlwasser wird vom Kühlwasserbecken zum Prozess, z.B. Kraftwerk, gepumpt.

Verteilungssystem

Der Teil eines Kühlturms, der Wasser über den Füllbereich verteilt, besteht normalerweise aus Flanscheinlässen, Durchflussregelventilen, Sprühzweigen, Messdüsen, Sprühdüsen und anderen zugehörigen Komponenten. Der Zweck des Verteilungssystems besteht darin, sicherzustellen, dass Wasser gleichmäßig an alle Sprühdüsen verteilt wird.

Sumpf

Der Sumpf (Pumpensaugkammer) ist ein vertiefter Teil des Sammelbeckens, aus dem 'kaltes' Wasser zu den Kreiselpumpen gezogen und dann zum Prozess, z.B. Kraftwerk, geleitet wird. Der Sumpf enthält normalerweise Siebe, Anti-Wirbel-Vorrichtungen und einen Abfluss oder eine Reinigungsverbindung.

Füllmaterial

Das Füllmaterial ist im Wesentlichen ein Wärmetauscher, der die Kontaktfläche zwischen dem Kühlwasser und der Luft maximiert. Luft strömt aufwärts über das Füllmaterial, während Wasser aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt. Wenn Luft über das Wasser strömt, verdampft ein Teil des Wassers und das verbleibende Wasser wird abgekühlt (Verdunstungskühlung). Kühltürme verwenden zwei Hauptfüllmaterial-Designs, das 'Filmfüll'- und das 'Spritzfüll'-Design. Filmfüll ist effizienter, aber teurer und anfälliger für Verschmutzung.

Driftabscheider

'Drift' ist der Name für Wassermoleküle, die aufgrund der Verdunstung aus dem Kühlsystem verloren gehen. Eine große weiße Feuchtigkeitswolke kann oft aus natürlichen Zugkühltürmen aufsteigen, dies ist 'Drift', und es stellt einen finanziellen Verlust dar (verlorenes Wasser muss ersetzt werden). Driftabscheider reduzieren Wasserverluste und senken somit die Betriebskosten.

Driftabscheider bestehen aus parallelen Lamellen, die auf der Luftaustrittsseite des Turms angeordnet sind, um eingeschlossene Wassertröpfchen aus dem austretenden Luftstrom zu entfernen. Die Form des Driftabscheiders erfordert, dass die eingeschlossenen Wassertröpfchen mehrmals die Richtung ändern (torturöser Flussweg), bevor sie aus dem Turm austreten. Luft hat wenig Probleme, die Richtung zu ändern und durch den Driftabscheider zu strömen, aber Wassertröpfchen prallen auf den Driftabscheider, kondensieren und tropfen dann zurück auf das Füllmaterial und kehren zum Kühlwasserbecken zurück.

Hyperboloid-Turm

Es gibt zwei Hauptgründe, warum natürliche Zugkühltürme eine so einzigartige Form haben. Der erste Grund ist, dass die Form die Menge an Baumaterial reduziert, die beim Bau eines so großen Turms benötigt wird. Der zweite Grund ist, dass die hyperboloide Form des Turms den Luftstrom durch den Turm beschleunigt, was die Kühlkapazität des Turms erhöht. 'Kalte' Luft tritt an der Basis des Turms ein, wird über das Füllmaterial nach oben gezogen, erwärmt sich und tritt dann durch die Spitze des Turms aus. Es ist der Unterschied in der Lufttemperatur - und folglich der Luftdichte -, der den konvektiven Luftstrom durch den Turm verursacht (wärmere Luft ist weniger dicht und steigt durch den Turm auf, was dazu führt, dass die umgebende kältere Luft durch die Basis des Turms angesaugt wird). Der Prozess, bei dem heiße Luft (weniger dicht) über kältere Luft (dichter) aufsteigt, wird als 'Kamineffekt' oder 'Schornsteineffekt' bezeichnet.

Sprühdüsen

Der Zweck der Sprühdüsen besteht darin, Wasser gleichmäßig über das Füllmaterial zu verteilen und so die Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft zu maximieren. Eine große Kontaktfläche ist erwünscht, da sie eine viel größere Wärmeübertragungskapazität bietet. Alle Wärmetauscher basieren auf einer großen Kontaktfläche zwischen den strömenden Medien, da dies einen hohen thermischen Kontakt zwischen ihnen gewährleistet.

Kühlwasserauslass

Kühlwasser wird aus dem Reservoir entnommen und durch diese Verbindung zu den Dampfturbinenkondensatoren geleitet.

Kühlwassereinlass

Kühlwasser, das von den Kondensatoren zurückkehrt, tritt durch diese Verbindung ein.

Erwärmte Luft

Wenn Luft durch das Füllmaterial strömt, steigt ihre Temperatur und sie steigt durch den Turm auf.

Lufteinlass

Umgebungsluft wird durch die Basis des Turms angesaugt.

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower

https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-draft-cooling-tower