Adiabate Luftabkühlung im Vergleich zu befeuchteten Wärmeaustauschern

Teil 1 – Grundlagen und Vergleich
Teil 2 – Praktische Umsetzung und Regelung

Dr. Franz Summerer, Michael Freiherr

Um die Leistung von luftgekühlten Verflüssigern oder Rückkühlern zu steigern oder um deren Einsatztemperatur zu erweitern, kommen häufig sogenannte Adiabatic-Systeme zum Einsatz, bei denen durch Verdunstung von Wasser ein zusätzlicher Kühleffekt erzeugt wird. Bei solchen Adiabatic-Systemen, die man wegen ihrer doppelten Funktionsweise (nass und trocken) auch als Hybridkühler bezeichnet, gibt es jedoch einen großen Unterschied zwischen Systemen, die tatsächlich adiabat arbeiten, sprich bei denen die Luft vor dem Wärmeaustauscher abgekühlt wird, und solchen, bei denen das Wasser auf der Oberfläche des Wärmeaustauschers verdunstet. Im ersten Teil des Vergleichs zwischen adiabater Luftabkühlung und befeuchteten Wärmeaustauschern wird die hinter beiden Systemen stehende Theorie vorgestellt.
Das h, x-Diagramm zeigt, wie die physikalischen Unterschiede beider Systeme zu den unterschiedlich großen Leistungssteigerungen führen. Mögliche Risiken durch Verkalkung, Ablagerung und Korrosion werden ebenfalls beleuchtet und ihr direkter Zusammenhang mit der Qualität des Besprühwassers dargestellt. Im anschliessenden zweiten Teil geht es um die praktische Umsetzung dieser Systeme sowie deren mögliche Anwendungsfälle. Eine kurze Gegenüberstellung möglicher Regelstrategien für Besprühsysteme rundet die Betrachtungen zu diesem Thema ab.

Teil 1 – Grundlagen und Vergleich

1. Einführung
Luftgekühlte Verflüssiger und Rückkühler haben ein breites Anwendungsspektrum in der Kälte- und Klimatechnik, aber auch in verschiedenen anderen Prozessen, wie etwa der Maschinenkühlung oder der Energietechnik. Die Vorteile luftgekühlter Wärmeabfuhrsysteme liegen auf der Hand: Sie sind überall einsetzbar, weil sie kein Wasser benötigen, sind sehr wartungsarm und haben nicht die bei wassergekühlten Systemen bekannten Probleme, wie etwa Verkalkung und Verkeimung. Luftgekühlte Wärmeaustauscher haben jedoch auch einige Nachteile. Neben den hohen Anschaffungskosten stellt vor allem die Begrenzung der Temperatur in vielen Fällen ein erhebliches Problem dar. Naturgegeben kann die Temperatur der Wärmeabfuhr, d. h. die Verflüssigungstemperatur oder – im Falle eines Rückkühlers – die Flüssigkeits-Austrittstemperatur nicht niedriger sein als die Umgebungstemperatur. Für Kälte- und Klimaanlagen führt das bei hohen Außentemperaturen zu einem höheren Energieverbrauch des Verdichters und somit zu einem schlechteren COP.

Für die Auslegung der Anlage bedeutet dies auch, dass der Verdichter größer dimensioniert werden muss. Trotzdem sind die Betriebskosten luftgekühlter Systeme häufig niedriger als die von wassergekühlten Systemen, weil die Wasserkosten je nach Region und Verfügbarkeit von Wasser stark zu Buche schlagen können. Anders ist die Situation, wenn eine bestimmte Temperatur unter keinen Umständen überschritten werden darf, weil ein Prozess dies erfordert. Dann kommen zumeist nur wassergekühlte Lösungen bzw. Verdunstungskühltürme zum Einsatz. In den letzten Jahren sind am Markt verschiedene sogenannte Hybridsysteme erschienen. Sie kombinieren die Vorteile luftgekühlter Wärmeaustauscher mit denen von Verdunstungskühlern. Solange die Außentemperatur niedrig genug ist, arbeiten diese Systeme trocken, d. h. ohne Zugabe von Wasser und ohne Ausnutzung des Verdunstungseffekts. Wird ein bestimmter Temperaturschwellwert überschritten, kommt Wasser zum Einsatz. Dafür gibt es jedoch sehr vielfältige und unterschiedliche Lösungen, die nicht alle den gleichen Effekt erzielen und somit auch nicht direkt vergleichbar sind. […]