Rückkühlanlagen [1]

Rückkühlanlagen, Einrichtungen, die dazu dienen, warmgewordenes Wasser wieder abzukühlen, d.h. in den Anfangszustand zurückzukühlen, um es von neuem als Kühlwasser verwenden zu können (s.a. Gradierwerke).

Am häufigsten werden diese Einrichtungen zur Abkühlung von Dampfkondensatoren gebraucht, wenn frisches Wasser nicht in genügender Menge vorhanden ist. Kondensator und Rückkühlanlage hintereinander bilden dann für ein und dieselbe Wassermenge einen beständig wiederholten Kreislauf, wobei das Wasser im Kondensator erwärmt und in der Kühlanlage wieder abgekühlt wird. Für Einspritzkondensatoren ist dieses Verfahren besonders vorteilhaft, weil das Wasser nach mehrmaligem Passieren der Luftleere ganz luftfrei wird und dadurch ein hohes Vakuum bis 94% ermöglicht. – Aber auch für andre Zwecke wird rückgekühltes Wasser verwendet, wie z.B. für Eismaschinen, Verbrennungsmotoren, Hochöfen u.s.w.

Der Vorgang der Rückkühlung besteht darin, daß die Wärme des Wassers in kürzester Zeit zu einem Teil an die Luft der freien Atmosphäre unter Erwärmung derselben übergeführt und zum andern Teil dazu verbraucht wird, um einen Teil des Wassers zu verdunsten; der entstehende Dampf wird von der Luft aufgelöst, wozu diese durch die Erwärmung noch mehr befähigt wird. Diese Verdunstung bewirkt, daß unter anderm das Wasser kälter werden kann als die umgebende Luft. So kann bei einer Sommertemperatur von 30° C. das Wasser bis auf 15° C. herabgekühlt werden. Im Sommer ist die Verdunstung, im Winter die Lufterwärmung wirksamer. Die Konstruktion muß also auf beide Kühlarten Rücksicht nehmen, wenn während des ganzen Jahres eine hinreichende Kühlung stattfinden soll. Eine ausgiebige Verdunstung verwandelt etwa 3% des zu kühlenden Wassers in Dampf; gewöhnlich geht mehr verloren durch Verspritzen, Verwehen, Undichtheiten u.s.w. – Um die beiden Kühlvorgänge in die Wege zu leiten, ist eine Einwirkung der Luft auf das Wasser erforderlich. Je direkter und inniger die Berührung beider ist, um so schneller erfolgt die Kühlung, um so kleiner kann das Kühlwerk sein.

[523] Die einfachste Einrichtung besteht in einem Teiche, in dem das warme Wasser an einer Stelle hineinfließt, und aus dem es an einer andern Stelle kalt entnommen wird. Hierbei wird das Wasser nur an seiner Oberfläche von der Luft berührt, weshalb die Kühlung nur langsam vor sich geht, bei Windstille noch langsamer als bei Wind. Die Teichkühlung wird ausnahmsweise angewendet, wenn zufällig ein natürlicher Teich von genügender Größe vorhanden ist. Erfolgreicher ist die Kühlung, wenn das Wasser bewegt wird, wenn es in Rinnen fließt, auf Stufen und Kaskaden oder in dünnen Wasserschleiern abwärts rieselt oder fällt. – Theisen hat wohl zuerst in der Zeit nach 1880 eine maschinelle Bewegung des Wassers eingerichtet. Dabei befanden sich das Kühlwasser und der zu kühlende Kondensator in einem gemeinschaftlichen offenen Behälter; eine mit Schöpfern versehene rotierende Welle hob kontinuierlich Wasser und ließ es durch die Luft wieder abträufeln. – Gebr. Körting lassen das warme Wasser unter Druck aus Streudüsen (Bd. 4, S. 12, Fig. 31) von unten nach oben austreten und es als Staub durch die freie Luft wieder niederfallen. Eine solche Anlage ist durch Fig. 1 veranschaulicht. Das Verfahren ist sehr einfach, erfordert aber Kraftaufwand, wenn der hydraulische Druck zufällig nicht vorhanden ist. – Ein vielfach angewendetes Verfahren der Wasserzerteilung in der Luft besteht darin, daß das gehobene Wasser beim Niederfallen um 4–6 m auf ausgebreitete und hordenartig übereinander angeordnete Latten und Bretter oder Bleche wiederholt aufschlägt und zerspritzt. Die gewöhnlichen Reisiggradierwerke, wie sie in Salinen verwendet werden, sind hierzu nicht geeignet, weil die Schalen und Rinden faulen, sich ablösen, das Wasser belasten und den Maschinenbetrieb stören würden. Aber auch geschnittene Hölzer haben den Nachteil, daß sie reißen, sich werfen und dann das Wasser ungenügend zerteilen; das sind Uebelstände, die bei Blechen fortfallen. Balcke & Co. benutzen auch Tonröhren (Drainrohre). Die gewöhnliche Verteilungsart auf die Rieselflächen ist in Fig. 2 angedeutet. Zunächst ist das durch eine Rohrleitung R zufließende Wasser zu verteilen, indem es aus dem Troge T, der es zuerst aufnimmt, durch zwei Reihen von Ausgüssen a a in Rinnen A gelangt, aus denen es durch Einkerbungen überfließt, an den Wandungen herabrieselt und an den Spitzen der unteren Zahnung abtropft. Von da fallen die Tropfen auf eine Lattenlage B (Rieselboden), zerspritzen, sickern auf den nächstuntern Rieselboden C, dessen Latten quer zu denen des vorigen liegen, dann auf D u.s.w. Die Riesellatten werden in der verschiedensten Art ausgeführt. Die Holzindustrie Kaiserslautern z.B. fertigt Rieselflächen aus [524] Brettern an (Fig. 3), Kühlhorden genannt, die in beliebigen Mengen käuflich sind, womit nach ebenfalls erhältlichen Zeichnungen die Selbstanfertigung von Kühleinrichtungen möglich ist. Hierbei liegen die Hordenbretter aller Rieselböden parallel, aber um eine halbe Teilung versetzt. Werden diese Bretter auf Gestellen befestigt und frei aufgestellt, so sorgt der Wind im allgemeinen für genügende Lufterneuerung. So findet man solche Kühlvorrichtungen auf Dächern oder in Höfen auf Säulen erhöht aufgestellt, so daß das Hofterrain frei bleibt. Damit der Wind kein Wasser verspritzen kann, schließt man das Ganze durch Jalousien ein. Solche Einrichtungen nennt man offene Gradierwerke. Ein solches ist in Fig. 4 und 5 zeichnerisch dargestellt (nach Balcke & Co.). Die Längenausdehnung richtet sich nach der Leistung. Für 1 cbm Wasser stündlich ist etwa 1 qm Grundfläche erforderlich bei 8–10 m Höhe, wobei eine Kühlung um ca. 25° C. erzielt wird.

In der Umgebung von Gebäuden wird der abziehende Dunst, besonders im Winter, lästig. Deshalb bringt man über der Kühlvorrichtung einen (meist hölzernen) Schlot (Kamin) an, der den Dunst durch den Auftrieb der erwärmten Luft in größere Höhen abführt. Dadurch entsteht zugleich der Vorteil, daß man mit der Aufstellung nicht auf windige Plätze angewiesen ist, sondern die erforderliche Luftbewegung zwischen Gebäuden und bei Windstille ohne weiteres erreicht. Solchen (hölzernen) Kaminkühler nach Balcke & Co. zeigt Fig. 6. Die Einrichtung der Rieselkühlung wird durch den Kamin nicht beeinflußt; es sind alle vorbenannten Formen der Kühlvorrichtung anwendbar.

Bei 8000 kg stündlicher Dampfkondensation ist erforderlich: für je 100 kg Dampf etwa 1,25 qm Grundfläche +5 qm Zuschlag; bei größeren Ausführungen: für je 100 kg Dampf etwa 1,1 qm Grundfläche +15 qm Zuschlag; man kann aber die Ausmaße noch weiter steigern. – Die Vorteile solcher Kaminkühler haben diesen eine große Verbreitung verschafft. Indessen ist es selbstverständlich, daß ihre kühlende Wirkung nicht so groß ist wie die der offenen Gradierwerke, denn sobald bei Kaminkühlern das Wasser kälter als die Außenluft wird, so hört der Auftrieb im Kamin auf.

Sollen dennoch die Kaminkühler ebenso leistungsfähig werden wie die offenen Kühler, so wird die Luft mit Ventilatoren durchgetrieben, wodurch eine sehr energische Wirkung entsteht und die kleinste Grundfläche benötigt wird. Ein solcher Ventilatorkühler ist in Fig. 7 (nach Balcke & Co.) gezeichnet. Dabei kann fast die ganze Höhe des Kamins mit Kühlvorrichtungen ausgebaut werden, wodurch die Grundfläche auf das kleinste Maß beschränkt werden kann. Indessen ist zu beachten, daß der Ventilator Kraft verbraucht[525] und daß deshalb diese Einrichtungen nicht immer zweckmäßig sind.

Eine Sonderkonstruktion von Wasserkühlern ist der Popperturm (Fig. 8, nach Balcke & Co.). Hier wird die Luft durch die fallenden Wassertropfen nach oben getrieben, wie Fig. 8 erkennen läßt, also ein besonderer Aufwand von Energie für die Luftförderung gespart. Freilich muß dabei wieder das Wasser hochgehoben und dadurch Arbeit aufgewendet werden. Wo aber das warme Wasser auf größerer Höhe erzeugt und unten gebraucht wird, da ist dieser Popperturm zweckmäßig; seine kühlende Wirkung ist etwa gleich der von Kaminkühlern, doch braucht er noch weniger Raum als diese.

Zur Vermeidung des Wasserhebens dienen besonders die Unterflurkühler (Fig. 9, nach der Ascherslebener Maschinenbauaktiengesellschaft), wobei die ganze Kühlvorrichtung so tief angeordnet und so niedrig konstruiert ist wie der Kondensator einer Dampfmaschine, damit das warme Wasser aus der Kondensatorpumpe von selbst auf die Rieselböden fließen kann und das gekühlte Wasser aus dem Reservoir durch das Vakuum des Kondensators selbsttätig wieder angesaugt wird.

Zum Zweck größerer Haltbarkeit wird das Holzwerk gewöhnlich mit Carbolineum getränkt. Es werden aber auch wesentliche Teile, besonders der Kamin, aus Mauerwerk, Eisenbeton, Eisen u.s.w. hergestellt, die zwar wesentlich teurer aber viel dauerhafter sind und dadurch die Mehrkosten ausgleichen. Holztürme bilden bei Saisonbetrieb übrigens unter Umständen eine Feuersgefahr.

Mit der Herstellung von Kühltürmen ausschließlich aus Eisen befaßt sich die Worthington Pumpen-Comp. A.-G., Berlin C 2, wobei besonders lange Dauer, eine kleine Grundfläche und gutes Aussehen angestrebt wird. Als alleiniger Nachteil sind nur die schon erwähnten hohen Kosten eiserner Anlagen zu erachten. In Fig. 10 ist ein solcher in der äußeren Ansicht abgebildet, welcher stündlich das Kühlwasser von 15000 kg Abdampf zurückkühlt mit Kaminluftzug; er hat unten 7,5 m Durchmesser und im ganzen 28 m Höhe. Im weiten Teile unten ist die eigentliche Kühlvorrichtung untergebracht. Diese besteht aus zahlreichen ineinander gerollten verzinkten Eisenblechen B (Fig. 11) von ca. 0,5 mm Dicke, 120 mm Durchmesser der Rollen und 250 mm Höhe derselben, die in etwa 20 Etagen übereinander gestellt, unten von einem schmiedeeisernen[526] Rotte getragen werden, wie auch aus dem Vertikalschnitt (Fig. 12) ersichtlich ist. Das zu kühlende Wasser wird durch das Rohr D zugeleitet und fließt durch 4–8 radiale Arme A (Fig. 11 und 12) aus, die mit je einer Reihe von Ausflußdüsen d besetzt sind und sich vermöge des Reaktionsdruckes sehr leicht drehen wie ein Segnersches Wasserrad; dadurch wird das Wasser gleichmäßig auf die Kühlbleche verteilt. Da die letzteren der durchstreichenden Luft wenig Querschnitt versperren, so entsteht ein verhältnismäßig kleiner Gesamtquerschnitt, der mit einem Viertel derjenigen in Holzkonstruktion angegeben wird. Auf 1 qm Grundfläche kann die Wärme von etwa 700 kg Abdampf stündlich abgekühlt werden. Auf 1 qm Rieselfläche kann 1,4 kg Abdampf gerechnet werden. Auch sollen die Rieselbleche als gute Wärmeleiter und wegen ihrer geringen Wärmekapazität den Abkühlungseffekt erhöhen. Da ein eiserner Kühlturm rundherum geschlossen, also dem Wind und Wetter (Wasserverspritzen) und sonstigen Zufälligkeiten wenig ausgesetzt ist, so gleicht er mehr einem physikalischen Apparate, mit dessen Eigenschaften, Vorgängen und Leistungen man zuverlässiger rechnen kann als mit den ganz oder teils offenen hölzernen Kühlern. Um die einströmende Luft auf den ganzen Querschnitt eiserner Kühltürme zu verteilen, werden bei Größen von über 7 qm, zwischen den Fundamentpfeilern, einige Kanäle angeordnet, welche die frische Luft besonders nach dem mittleren Räume hinleiten, wohin sie sonst nur unsicher gelangen würde. – Schlot und Kühlmantel sind alle 2–3 Jahre mit Oelfarbe zu streichen. Drehkran und Fahrkorb werden als Zubehör mitgeliefert. – Als Ersatz des verdunsteten soll nur reines, weiches Wasser zur Verwendung kommen.

Auch die eisernen Kühltürme werden für besondere Fälle mit Ventilatoren versehen. Bei einer Leistung von 15000 kg Dampfkondensation erhält dann ein Turm etwa 5,3 m Durchmesser und 9,6 m Höhe. Die Grundfläche ist also nur halb, die Schlotoberfläche nur ein Viertel so groß als die der selbstventilierenden. Dabei kühlt ersterer noch wesentlich tiefer als letzterer, d.h. bis unter Lufttemperatur. Die Gewichte der Eisenkonstruktionen sind für den selbstventilierenden 55000 kg, für den mechanisch ventilierenden 30000 kg. Die Leistung einer Rückkühlanlage ist abhängig von der Kühlflächengröße, der Kühlluftmenge und dem relativen Feuchtigkeitsgehalte der Luft. Die Leistung wird gemessen durch die Menge der ihr im Beharrungszustande stündlich zugeführten Wärmemenge. Die Qualität der Anlage wird ausgedrückt durch die Tiefe der Wassertemperaturen und die geringste Menge von Ersatzwasser.

Wird einem Kilogramm Wasser beim Durchgange durch den Kondensator die Wärmemenge von C Einheiten mitgeteilt und erhält es dadurch die Temperatur t₁, welche im Kühlwerke auf t₂ erniedrigt wird, so ist, weil die spezifische Wärme des Wassers = 1, im Beharrungszustande: C = t₁ – t₂. Diese Gleichung ist unabhängig von der absoluten Größe der Einzeltemperaturen; sie besagt nur, daß die Differenz beider die Leistung bestimmt. Die Kalttemperatur kann nicht erniedrigt werden, ohne daß die Warmtemperatur mit herabgesetzt wird. Bei einem gutwirkenden Kühlwerk sind unter sonst gleichen Umständen beide Temperaturen niedrig, z.B. 50 und 30°, bei einem mangelhaften Kühl werke sind sie höher, z.B. 65 und 45°. – Jedes Kühlwerk ist im Winter besser als im Sommer, d.h. die Temperaturen liegen tiefer, während ihre Differenz dieselbe ist wie im Sommer.

Den Einfluß der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit der atmosphärischen Luft, welche Faktoren sehr veränderlich sind, zeigt folgende Zusammenstellung der Worthington-Compagnie.

Die Abhängigkeit der Abkühlung von der angewendeten Luft und Wassermenge ergibt sich durch die Gleichung W t = L (0,2375 t_l + d [640 – t_m]). Dabei bedeutet W die in der Zeiteinheit abzukühlende Wassermenge in Kilogramm, L die in derselben Zeit durchgeströmte Luftmenge in Kilogramm, t die Wasserabkühlung in Grad Celsius = t₁ – t₂, t₁ die Lufterwärmung in Grad Celsius = t' – t'', d der von 1 kg Luft aufgelöste Dunst in Kilogramm, im die mittlere Wassertemperatur. Dabei ist leicht ersichtlich, daß Wt die dem Wasser zugeführte Wärmemenge ist, während der Ausdruck 0,2375 L t' denjenigen Anteil davon darstellt, der zur Erwärmung der Luft dient, und L d (640 – t_m) den Anteil, welcher durch Wasserverdunstung gebunden worden ist. Hausbrand (vgl. das Buch »Verdampfen, Kondensieren und Kühlen«, 3. Aufl., Berlin 1904) hat nach dieser Gleichung Tabellen und Anwendungsbeispiele aufgestellt, worauf wir verweisen. Vgl. a. das Stichwort »Kondensation« in dem Inhaltsverzeichnis der Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing., in welcher sich Beschreibungen und Zeichnungen verschiedener Anlagen vorfinden.

Cario.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4., Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11., Fig. 12.