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Wie funktioniert ein Kühlturm? Wissenswertes zur Kühlwasserhygiene

In Gebieten mit großen Betrieben der chemischen Industrie oder der Metallurgie aber vor allem dort, wo Kraftwerke stehen, bestimmen sie das Landschaftsbild: Gigantische Kühltürme bis zu 200 m hoch, als riesige Hohlzylinder mit offenen Enden zu erkennen. Viele Menschen identifizieren die Kühltürme oft auch an den großen Wolken, die den Turm verlassen. Je nach Wetterlage sind sie kaum zu sehen, weiß oder wirken wie graue Regenwolken, die gen Himmel steigen. Wer es nicht besser weiß, könnte glauben, es handle sich um Rauch einer Verbrennung. Tatsächlich ist es aber ein Gemisch aus erwärmter Luft und Wasserdampf, das den Kühlturm verlässt. Als Wasser-Luft-Wärmetauscher sind Kühltürme bei der Stromerzeugung und dem umweltfreundlichen Ableiten von produktionsbedingter Abwärme in vielen Industriebereichen unabdingbar. Bei letzteren Prozessen spricht man auch von Prozess- oder Industriekühlung.

Gigantischer Luft-Wasser-Wärmetauscher

Bei einem Kühlturm handelt es sich um einen Apparat, der dafür gebaut wird, industriell angefallene Abwärme an die Umgebung abzugeben. Vor allem in Wärmekraftwerken werden die Kühltürme benötigt, um die nicht nutzbare Abwärme aus dem Produktionsprozess auszuleiten. Zu diesem Zweck wird der Dampf rückkondensiert. Das dabei entstandene Kühlwasser muss nun heruntertemperiert werden, um es entweder in den Produktionsprozess zurückzuleiten oder umweltschonend in das nächstgelegene Fließgewässer abfließen zu lassen. Diese Abkühlung des Wassers findet im Kühlturm statt.

Funktionsweise des Kühlturms

Wie oben beschrieben handelt es sich bei den Vorgängen im Kühlturm um einen Luft-Wasser-Wärmeaustausch, bei dem Umgebungsluft mit erwärmten Kühlwasser zusammengebracht wird. Durch Verdunstung einer Teilmenge des Kühlwassers wird diesem Wärme entzogen und es kühlt ab. Die erwärmte Luft tritt gemeinsam mit entstandenem Wasserdampf oben aus dem Kühlturm aus. Im Detail läuft der Prozess wie folgt ab:
 

  1. Das Wasser wird dem Kühlturm zugeleitet und über Düsen im oberen Teil des Turmes auf sogenannte Füllkörper oder Rieselkörper verteilt. Hierdurch rieselt das Wasser in winzigen Tropfen durch den Turm in ein unten gelegenes Auffangbecken.
  2. Gleichzeitig wird dem Turm unten durch einen Frischluftzugang Umgebungsluft zugeleitet.
  3. Durch das Herabrieseln des Wassers kommt das warme Wasser mit der Luft in Kontakt. Durch Verdunstung findet ein Wärmetausch statt – die Wärme des Wassers wird an die Luft abgegeben.
  4. Die Luft erwärmt sich daraufhin und dehnt sich aus. Die Ausdehnung verursacht eine geringere Dichte, die Luft wird leichter. Bedingt durch die besondere, hyperbelartige Form des Kühlturms kommt es zum sogenannten Kamineffekt: Die erwärmte, nun leichtere Luft steigt nach oben.
  5. Durch den Wärmetausch zwischen der Luft und Wasser entsteht Wasserdampf. Dieser vermischt sich mit der warmen Luft und sowohl die Luft als auch der Wasserdampf verlassen den Kühlturm nach oben hin. Betrachter können je nach Wetter große Nebelschwaden über dem Kühlturm wahrnehmen.
  6. Das abgekühlte Wasser sammelt sich unten im Turm im Kühlwasserbecken und kann abgeleitet werden.

Durch den Kamineffekt – von unten strömt Umgebungsluft nach, die erwärmte Luft verliert an Dichte und steigt nach oben – bleibt die Luft im Kühlturm in Bewegung. Damit dieser Effekt sich selbst trägt, muss der Kühlturm allerdings eine gewisse Höhe besitzen. Diese liegt meist nicht unter 100 Meter und manchmal bis 200 Meter. Kühltürme dieser Bauart nennt man Naturzugkühltürme.

In kleinen Industrieparks mit weniger hohen Kühlmöglichkeiten oder auch an Einzelstandorten von Industriebetrieben wird eine andere Bauart von Kühltürmen eingesetzt: der zwangsbelüftete Ventilatorkühlturm. Der Luftzug in diesem Kühlturm wird hier von leistungsstarken Ventilatoren gesichert. Es wird zwischen saugenden Ventilatoren (im oberen Bereich der Ventilatorkühltürme eingebaut) und drückenden Ventilatoren (an den unteren Seitenrändern eingebaut) unterschieden. Derartige Kühltürme sind im Vergleich zum Naturzugkühlturm kleiner und damit für den Betrachter nicht so gut sichtbar.

Unabhängig von der Bauart verdunsten alle Kühltürme während des Luft-Wasser-Wärmetausches eine bestimmte Menge an Wasser. Die Menge an Verdunstung ist von der Kühlleistung des Kühlturmes abhängig. Das verdunstete Wasser muss dem Kreislauf wieder zugeführt werden.

Kühlturm vor allem bei der Stromerzeugung im Einsatz

Vor allem bei der Stromerzeugung spielen Kühltürme eine große Rolle. In Wärmekraftwerken entsteht immer eine gewisse Menge Wärme, die sogenannte Abwärme, die nicht anderweitig genutzt werden kann. Diese muss abgeleitet werden. Hierbei ist der Kühlturm unentbehrlich, da er die Abwärme in die Umgebung abgeben kann.

Bei der Stromerzeugung ist immer eine Temperaturdifferenz nötig, um aus Wärme Strom zu generieren. Der Produktionszyklus benötigt also eine Wärmequelle und eine Temperaturminderung. Diese sogenannte Wärmesenke ist der Kühlturm. Das muss man sich vereinfacht so vorstellen, dass für die Stromerzeugung Dampf erzeugt werden muss, der eine Turbine antreibt. Diese Turbine wiederum betreibt den Generator, der den Strom produziert. Hat der Dampf die Turbine passiert, muss er rückkondensiert werden, der Dampf wird also wieder in Wasser verwandelt. Dieses warme Kühlwasser wird nun in den Kühlturm geleitet und abgekühlt.

Wie bereits erwähnt, nutzen aber auch über die Energiewirtschaft hinaus viele Industriebetriebe die Verdunstungskühlung zur Absicherung von Produktionsprozessen. Als Beispiele für diese sogenannte Prozesskühlung seien hier folgende Branchen genannt:

  • Metallverarbeitung (Kühlung von Industrieöfen, Schmelz-, Gieß- und Pressprozesse)
  • Glasindustrie (Kühlung von Schmelzwannen und Elektroden, VSG (Verbundsicherheitsglas) - Heißluftautoklaven, Glasbeschichtungsanlagen)
  • Kunststoffherstellung (Werkzeug- und Hydraulikkühlung, Formenkühlung bei Schaumstoffherstellung, Kühlung von Heißluftautoklaven zur Herstellung von Composite-Teilen)
  • Drahtziehen (Emulsionskühlung, Kühlung von Umrichtern)
  • Chemische Industrie (Apparatekühlung, Prozessgaskühlung)

Die einwandfreie Funktion der Prozesskühlung erfordert eine funktionsfähige, gut ausgestattete Kühlwasserrückkühlanlage. Diese Anlage transportiert erwärmtes Kühlwasser von der Produktion zum Kühlturm sowie das rückgekühlte Wasser vom Kühlturm zum Verbraucher. Es handelt sich hier also um einen Kreislauf, der sehr Ressourcen schonend ist.

Wesentliche Bauteile einer solchen Anlage sind Pumpen, Kühlwasserfilter, Armaturen, Rohrleitungen, Wasseraufbereitungstechnik und eine Steuer-/Regelanlage. Derartige Anlagen werden heutzutage meist als kompakte Anlagen in Modulbauform von spezialisierten Ausrüstern geliefert. Nicht selten kommt auch die Containerbauweise zur Anwendung.

Vorsicht vor Legionellen: Darum spielt Kühlwasserhygiene solch eine große Rolle

Nicht nur Kühlwasser, sondern alle wasserbasierten Flüssigkeiten zwischen 20 und 50 Grad Celsius bieten einen hervorragenden Nährboden für verschiedene Keime und Erreger. Manche von ihnen, beispielsweise Legionellen, können über Aerosole an die Umgebung abgegeben und so auch durch die Luft übertragen werden. Bei Aerosolen handelt es sich um winzige, in Gasen befindliche Schwebeteilchen. Beispielsweise also auch Wasser in Form von Wasserdampf.

Gibt der Kühlturm im Laufe des Kühlungsprozesses also Wasserdampf und warme, feuchte Luft an die Umgebung ab, können Erreger wie Legionellen problemlos ausgetragen werden. Bei Verdunstungskühltürmen können Infektionen mit Legionellen in einem Umkreis von bis zu 10 Kilometern rund um den Kühlturm auftreten, wenn das dortige Kühlwasser kontaminiert ist. Umso wichtiger ist, dass der Kühlturm regelmäßig gewartet und überprüft wird. Bekannte, von Kühltürmen verursachte Legionellenausbrüche fanden beispielsweise zum Jahreswechsel 2009/2010 in Ulm, im Jahr 2013 in Warstein oder in Bremen im Jahr 2016 statt.

Sicherheitsanforderungen an Kühltürme

Damit es durch den Kühlturm nicht zu einer Verbreitung gesundheitsbeeinträchtigender Erreger kommt, hat der Gesetzgeber im Bundesimmissionsschutzgesetz einige Anforderungen festgelegt, die Betreiber eines Kühlturms im Einzelnen zu befolgen haben. Dies sind unter anderem:

  • Mindestens alle zwei Wochen müssen betriebsinterne Überprüfungen stattfinden.
  • Die Beschaffenheit des Kühlwassers muss physikalisch, chemisch und mikrobiologisch geprüft werden.
  • Spätestens alle drei Monate muss das Kühlwasser in einem Labor auf Legionellen untersucht werden.
  • Der Betreiber muss ein Betriebstagebuch führen.
  • Alle fünf Jahre muss der ordnungsgemäße Anlagenbetrieb durch einen Sachverständigen festgestellt werden.

Zusätzlich gilt, dass für jeden Kühlturm vor der Inbetriebnahme oder einer Wiederaufnahme des Betriebs eine Gefährdungsbeurteilung durch eine fachlich geeignete Person zu erstellen ist. Hält sich der Betreiber nicht an diese Auflagen oder kommt es zu einer Kontaminierung des Kühlturms, kann die Anlage mit sofortiger Wirkung stillgelegt werden. So wird die Sicherheit der Anlage und der Bevölkerung sichergestellt.

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