Wozu ist die Kühlkreislaufsystem / Kühlwasserbehandlung mit Chemikalien notwendig?

Eine kurze Einführung ins Thema.

Bei praktisch jeder industriellen Fertigung, Energiegewinnung, Haustechnik oder IT- Rechencenter entstehen grosse Mengen Wärme, die abgeführt werden müssen um ein Überhitzen der Anlagen zu verhindern. Dazu werden sehr gerne Nasskühltürme verwendet, in denen die überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Das dabei zwischen Wärmequelle und Kühlturm zirkulierende Kühlwasser wird samt Pumpen, Wärmetauscher und Leitungen kurz Kühlkreislauf genannt.

Da Kühlwasser je nach chemischer Zusammensetzung dazu neigt, entweder Ablagerungen oder Korrosion zu verursachen, und sich in warmem Wasser ohne Behandlung Keime wie Bakterien, Pilze und Algen explosionsartig vermehren, muss zwingend mit geeigneten Chemikalien zur Kühlwasserbehandlung gegengesteuert werden. Kühlwasserbehandlung ohne Chemikalien führt innert kürzester Zeit zu Störungen und kann sogar gefährlich für die Umwelt sein (Legionellen). Schauen wir uns aber zuerst die gängigsten Kühlsysteme an:

Kühlsysteme 1: Offene Verdunstungskühler

Bei diesem System wird das erwärmte Kühlwasser im Kühlturm auf ein System aus Lamellen gesprüht, welche eine grosse Oberfläche schaffen. Durch einen Druck- oder Saugventilator bzw. Kamineffekt wird ein kräftiger Luftzug entfacht. Durch Verdunstung des Wassers wird diesem Wärme entzogen und die Wassertemperatur gesenkt. Das Kühlwasser kann direkt dem Kühlprozess zugeführt werden.
Die Bauweise von offenen Kühltürmen kann variieren und rund, quadratisch, aber auch V-förmig sein.

Da das Kühlwasser in offenen Systemen intensiv mit Staub und Schmutz in Kontakt kommt, bilden sich ohne Biozidbehandlung schnell Keime und Biofilme. Durch Verdunstung steigt ausserdem die Salz/Kalkkonzentration im Wasser an (Eindickung). Es braucht deshalb nebst Härtestabilisatoren und Korrosionsschutz auch Dispergiermittel, um Schmutz- und Kalkablagerungen zu verhindern.

Kühlsysteme 2: Geschlossener Kühlkreislauf mit Luftkühlung / Trockenrückkühler

Das Kühlwasser (Wasser, Korrosionsschutz und Frostschutzmittel) durchströmt die Rohre eines Wärmetauschers. Ventilatoren pressen Luft durch die Kühlrippen, wobei Wärme an die Luft abgegeben wird. Das Kühlwasser verdunstet dabei nicht. Ergo ein klassischer geschlossener Kreislauf.

Das System ist weit verbreitet (z.B. in kleinerer Form in Autos). Es benötigt nach einer anfänglichen Konditionierung beim Auffüllen (welche aber eine besonders hochwertige Kühlwasserbehandlung mit Chemikalien wie Molybdaten als Korrosionsschutzmittel bedarf) keine oder nur noch wenig Wartung des enthärteten / entsalzen Kühlwassers.
Allerdings ist der Energieverbrauch für die Ventilatoren wegen dem schlechteren Wirkungsgrad einer reinen Luftkühlung bei warmen Temperaturen verglichen mit der Nasskühlung i.d.R. höher.

Halboffener Verdunstungskühler / Hybridsysteme

Bei diesen Systemen wird ein geschlossenes System (ähnlich wie ein Trockenrückkühler) über einen Wärmetauscher geführt und kommt deshalb nicht mit der Umgebungsluft direkt in Kontakt. Die wegen der leichteren Wartung i.d.R. glatten Rohrbündel des Wärmetauschers werden in einem zweiten, offenen Kühlkreislauf mit Wasser besprüht, wobei eine schnellere Abkühlung des Kühlwassers im geschlossenen Teil des Kühlkreislaufsystems erfolgt. Das Kühlwasser verdunstet dabei nur im offenen Teil.

Bei sehr tiefen Lufttemperaturen (Winter) und geringer Kühllast kann u.U. sogar auf die Wasserkühlung verzichtet werden (Trockenbetrieb) und die Kühlung einzig durch den Luftzug der Ventilatoren aufrecht erhalten werden. In diesem Fall wird das Kühlwasser entweder abgelassen oder in einem frostsicheren Stapeltank untergebracht.

Bei dieser Art Kühlsystem werden der offene und der geschlossene Teil separat mit Chemikalien behandelt. Der offene Teil benötigt regelmässig Härtestabilisatoren, Korrosionsschutzmittel und Biozid, der geschlossene Teil hingegen nur bei der Füllung eine hohe Dosis Korrosionsschutzmittel und ein wenig Biozid.

Probleme beim Betrieb eines Kühlkreislaufes und deren Lösung

Korrosion:

Kühlwasser ist entweder ablagernd oder korrosiv. Je weicher das Kühlwasser im Kreislauf ist, d.h. je weniger gelöste Stoffe es enthält, desto aggressiver löst es Materialien wie Eisen und andere Metalle auf. Es verursacht so Lochfrass, Leckagen und andere korrosionsbedingte Probleme.
Korrosionsinhibitoren bzw. Korrosionsschutzmittel (z.B. Phosphonate für offene und Molybdate für geschlossene Kühlkreisläufe schützen dabei die Oberflächen des Kühlsystemes.

Ablagerungen:

Hartes Kühlwasser enthält eine hohe Dosis gelöste Stoffe wie Salze und Kalk. Wird das Kühlwasser während dem Betrieb erhitzt, entweicht CO2, welches den Kalk in Schwebe hält. Der Kalk fällt aus und beginnt, Ablagerungen zu produzieren. Diese schützen zwar einerseits vor Korrosion, behindern aber andererseits die Wärmeübertragung im Wärmetauscher. Somit wird der Wirkungsgrad im Kühlkreislaufsystem stark vermindert.
Härtestabilisatoren wie Phosphonate verhindern ein Auskristallisieren und somit Krustenbildung des Kalkes. Dieser kann somit einfach über die Absalzanlage ausgeschwemmt werden.

Biofilme:

Warmes Wasser ist eine hervorragende Bruststätte für Mikroorganismen aller Art. Diese bilden sehr schnell schleimige Ablagerungen, welche rasch eine beachtliche Dicke annehmen können. Wie Kalkablagerungen behindern Sie die Wärmeübertragung im Wärmetauscher und reduzieren hier den Leistungsgrad. Zusätzlich geht von diesen Keimen ein nicht zu unterschätzendes Gesundheitsrisiko aus, wenn sich Kühlwasser – Aerosole mit z.B. Legionellen in der Umgebung der Kühltürme verbreiten und eingeatmet werden.
Mit Hilfe von Bioziden wie Sanosil C im Kühlwasser werden diese Biofilme und pathogene Keimherde eliminiert und in der Entstehung verhindert.

Eine automatisierte Chemikalien-Dosierung für Kühlwasser kontrolliert und regelt den Gehalt aller notwendigen Chemikalien und ist für eine reibungslose Kühlwasserbehandlung dringend angezeigt.

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