Verstehen der Grundlagen der Kühlturm-Wärmeübertragung

Umweltbedenken im Hinblick auf den Schutz von Wasserlebewesen sowohl am Einlass als auch am Auslass von Durchlaufsystemen haben die Durchlaufkühlung für moderne Anlagen im Wesentlichen eliminiert. Aber diese Entwicklung kommt zu einer Zeit, in der viele der neuen GuD-Kraftwerke und andere Anlagen mit Personal besetzt werden, das neu in der Branche ist. Grundlegendes Verständnis ist entscheidend.

Die Durchlaufkühlung war im letzten Jahrhundert ein übliches Konstruktionsmerkmal großer Kraftwerke, da das Verfahren die großen Wassermengen, die für die Kondensation des Turbinenabdampfs und die Kühlung des Hilfswärmetauschers benötigt wurden, effektiv liefern konnte. Umweltbedenken im Hinblick auf den Schutz von Wasserlebewesen sowohl am Einlass als auch am Auslass von Durchlaufsystemen haben jedoch dazu geführt, dass die Durchlaufkühlung für moderne Anlagen im Wesentlichen nicht mehr erforderlich ist.

Heutzutage sind Kühltürme oder einige Variationen davon, wie z. B. Wet-Surface-Air Cooler (WSAC®) oder sogar luftgekühlte Kondensatoren, die Norm. Aber diese Entwicklung kommt zu einer Zeit, in der viele der neuen GuD-Kraftwerke und andere Anlagen mit Personal besetzt werden, das neu in der Branche ist. Grundlegendes Verständnis ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von Kühlwasser- und anderen Systemen von entscheidender Bedeutung.

Grundlagen des Kühlturms

Im Rahmen dieser Diskussion konzentrieren wir uns auf den gebräuchlichsten industriellen Kühlturm, wie unten dargestellt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung einer Zelle eines Gegenstromkühlturms mit Saugzug. Quelle: Post, R. und B. Buecker, „Power Plant Cooling Water Fundamentals“; Vorkonferenzseminar zum 37. jährlichen Electric Utility Chemistry Workshop, 6.–8. Juni 2017, Champaign, Illinois. Um mehr über zukünftige EUCWs zu erfahren, besuchen Sie bitte die Website www.conferences.illinois.edu/eucw

Wie die Abbildung zeigt, gelangt warmes Abwasser aus den Wärmetauschern der Anlage in den Turm und wird über die Kühlturmfüllung versprüht. Luft dringt in den unteren Teil des Turms ein und kommt im Gegenstrom mit dem Wasser in Kontakt, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Das abgekühlte Wasser sammelt sich in einem Sumpf und wird zu den Wärmetauschern zurückgeführt, während die warme Luft in die Atmosphäre abgeführt wird.

Eine Schlüsselkomponente in Kühltürmen ist das Füllmaterial, das zusätzlich dazu beiträgt, den Luft-Wasser-Kontakt zu maximieren. Unten sind zwei Typen dargestellt: die moderne Spritzfüllung und die höchsteffiziente Folienfüllung.

Abbildung 2. Moderne Spritzschüttung aus Kunststoff. Foto mit freundlicher Genehmigung von Brentwood Industries und Rich Aull von Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Abbildung 3. Hocheffiziente Kreuzwellen-Folienfüllung. Foto mit freundlicher Genehmigung von Brentwood Industries und Rich Aull von Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Es stehen eine Reihe von Zwischenoptionen zur Verfügung, wobei die Auswahl von der geplanten Kühlwasserqualität und der möglichen Verschmutzung der Medien abhängt, auf die der Autor in einem zukünftigen Artikel für Power Engineering eingehen wird.

Im nächsten Abschnitt werden die Grundlagen der Wärmeübertragung in einem Kühlturm untersucht.

Einige grundlegende Berechnungen der Wärmeübertragung

Abbildung 4 zeigt die tatsächlichen Bedingungen, die in einem Kühlturm an einem milden Frühlingstag auftreten können.

Abbildung 4. Beispiel für reale Bedingungen für einen Kühlturm. Quelle: Potter, MC und CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers; McGraw-Hill, New York, NY, 1993.

Beachten Sie, dass die relative Luftfeuchtigkeit (RH) der Einlassluft 50 Prozent beträgt, während die RH der Turmabluft fast 100 Prozent beträgt. Diese Daten helfen zu veranschaulichen, dass die primäre Methode der Wärmeübertragung in einem Kühlturm die Verdunstung eines typischerweise kleinen Anteils (2 bis 3 Prozent) des zirkulierenden Wassers ist. Während die Mathematik der Kühlturm-Strömungskonstruktion etwas komplex sein kann, wurden mehrere einfache Gleichungen entwickelt, um die Verdampfungs-, Abschlämm- und Zusatzströme zu einem Kühlturm direkt zu approximieren.

Die Standardformel für die Verdunstung lautet:

E = (f * R * DDT)/1000, wobei Gl. 1

E = Verdunstung in gpm

R = Rezirkulationsrate in gpm

DT = Temperaturunterschied (Bereich) zwischen warmem und gekühltem Umlaufwasser (oF)

¦ = Ein Korrekturfaktor, der hilft, die sensible Wärmeübertragung zu berücksichtigen, wobei ¦ typischerweise zwischen 0,65 und 0,90 liegt und im Sommer ansteigt und im Winter abnimmt

Der Faktor 1.000 ist eine gute Annäherung an die latente Verdampfungswärme (Btu/lb) von Wasser bei Umgebungsbedingungen. Aus früheren Arbeiten des Autors ergibt sich für das Beispiel in Abbildung 2 ein Wert von 0,78. Somit beträgt die Verdunstungsrate für dieses Beispiel mit einem Rezirkulationsfluss von 150.000 gpm und einem Bereich von 27o F 3.159 gpm.

Ein sehr wichtiges Konzept zum Verständnis der Wärmeübertragung in Kühltürmen ist die „Feuchtkugeltemperatur“, die niedrigste Temperatur, die durch Verdunstungskühlung erreicht werden kann. Sofern die relative Luftfeuchtigkeit nicht 100 Prozent beträgt, liegt die Feuchtkugeltemperatur immer unter der Umgebungs- oder „Trockenkugeltemperatur“. Somit können Kühltürme das zirkulierende Wasser praktisch immer auf eine niedrigere Temperatur kühlen als ACCs. Im Beispiel aus Abbildung 2 liegt die Feuchtkugeltemperatur bei Einlassluft von 68 °F und 50 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit nahe bei 57 °F, sodass die Annäherung an die Feuchtkugeltemperatur für dieses Beispiel 77 °F – 57 °F = 20 °F beträgt. Mit modernen, gut konzipierten Kühltürmen , niedrigere Annäherungstemperaturen sind durchaus möglich.

Konzentrationszyklen und Auswirkungen auf die Wasserqualität

Durch die Verdunstung nimmt die Konzentration gelöster und suspendierter Feststoffe im Kühlwasser zu. Dieser Konzentrationsfaktor wird (logischerweise) als Konzentrationszyklen (C oder COC) bezeichnet. C, oder genauer gesagt, die zulässige C, variiert von Turm zu Turm und hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Chemie des Zusatzwassers (MU), der Wirksamkeit chemischer Behandlungsprogramme und potenziellen Einschränkungen bei Zusatz- oder Entladungsmengen. Die algebraische Gleichung zur Berechnung der Konzentrationszyklen lautet:

C = MU/BD Gl. 2

Durch den Vergleich der Konzentrationen eines gemeinsamen Ions wie Chlorid oder Magnesium im Zusatz- und Umlaufwasser können Konzentrationszyklen ermittelt werden. In der Praxis ist es jedoch üblich, C für die Berechnung von C online zu messen, wobei die Abschlämmung (BD) und die Zusatzmenge (MU) spezifisch sind Leitfähigkeiten. Die Messungen ermöglichen eine sofortige Anpassung der Abschlämmung, um den gewünschten C-Wert aufrechtzuerhalten. In allen Fällen haben die Konzentrationszyklen einen Grenzwert, an dem weitere Erhöhungen selbst bei guter chemischer Behandlung zu Ablagerungen oder Korrosionsproblemen im Kühlsystem führen können.

Das Verhältnis von Abschlämmung zu Verdunstung wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

BD = E/(C — 1) Gl. 3

Neben der Abschlämmung entweicht etwas Wasser dem Prozess auch als feine Feuchtigkeitströpfchen im Abluftventilator des Kühlturms. Dieser Wasserverlust wird als Drift (D) bezeichnet. Moderne Tropfenabscheider können die Drift auf 0,0005 % der Rezirkulationsrate reduzieren, und Brentwood Industries hat ein Design herausgebracht, das eine Driftrate von 0,00025 % erreicht. Leckagen im Kühlsystem werden als Verluste (L) bezeichnet. Die folgende Gleichung zeigt die Beziehung zwischen Zusatz und Verdunstung, Abschlämmung, Abdrift und anderen Verlusten.

MU = E + BD + D + L Gl. 4

Bei einem gut konzipierten und betriebenen Turm sind die letzten beiden Begriffe vernachlässigbar, sodass der Wasserbedarf des Turms im Wesentlichen auf Verdunstung und Abschlämmung zurückzuführen ist. Zurück zu Gleichung 3: Die folgende Abbildung veranschaulicht die Beziehung zwischen der Abschlämmrate und den Konzentrationszyklen für den in Abbildung 2 dargestellten Turm.

Abbildung 5. Abschlämmung vs. Konzentrationszyklen.

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kurve asymptotisch ist und die Reduzierung der Abschlämmung bei höheren Zyklen mit zunehmender C dramatisch abfällt. Der Autor hat mehr als eine Reihe von Spezifikationen gesehen, bei denen die Konstrukteure scheinbar ohne Rücksichtnahme hohe Konzentrationszyklen ausgewählt haben zu den minimalen Vorteilen bei der Wassereinsparung, die sich daraus ergeben. Aufgrund der hohen Konzentration an Kalkablagerungen und korrosionsverursachenden Verunreinigungen treten jedoch deutlich erhöhte Herausforderungen an die Wasseraufbereitungschemie auf.

Über den Autor: Brad Buecker ist Senior Technical Publicist bei ChemTreat. Er verfügt über 35 Jahre Erfahrung in der Energiebranche oder ist damit verbunden, ein Großteil davon in den Bereichen Dampferzeugungschemie, Wasseraufbereitung, Luftqualitätskontrolle und Ergebnisingenieurpositionen bei City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) und Kansas City Power & Bahnhof La Cygne, Kansas der Light Company. Außerdem war er zwei Jahre lang stellvertretender Wasser-/Abwasserleiter in einer Chemiefabrik. Zuletzt war er technischer Spezialist bei Kiewit Engineering Group Inc. Buecker hat einen Bachelor-Abschluss in Chemie von der Iowa State University mit zusätzlichen Kursen in Strömungsmechanik, Energie- und Materialbilanzen sowie fortgeschrittener anorganischer Chemie. Er ist Mitglied der American Chemical Society, des American Institute of Chemical Engineers, der American Society of Mechanical Engineers, der Association of Iron and Steel Technology, des Cooling Technology Institute (über Unternehmensmitgliedschaft), der National Association of Corrosion Engineers und der Electric Utility Chemistry Workshop Planning Ausschuss, das vom EPRI gesponserte Power Plant & Environmental Chemistry Committee und das Power-Gen International Planungskomitee. Buecker hat zahlreiche Artikel und drei Bücher zu Themen der Kraftwerks- und Wasser-/Dampfchemie verfasst. Er kann unter [email protected] erreicht werden.