Die Komponenten Nasskühlturm
Die Komponente Nasskühlturm repräsentiert ein allgemeingültiges Modell zur Bereitstellung von Kälte durch einen Kühlturm, der Wasser in die umgebende Luft verdunstet.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Nasskühlturm.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Kälteversorgung.
Einbindung in ein Schema
Funktionsweise
Die Komponente Nasskühlturm bildet das Abführen der Wärme eines anderen Prozesses durch die Verdunstung von Wasser in die Umgebungsluft als Hauptkühlprinzip ab. Die Kühlmittel sind Wasser und Luft. Es handelt sich um ein offenes Umlaufkühlsystem, bei dem der wesentliche Teil der Wärmeenergie an die Luft durch Verdunstung des Wassers übertragen wird. Aufgrund der Verdunstung muss Wasser regelmäßig zugeführt werden.
Technische Eingabedaten
Die folgenden Auslegungsgrößen sind in den Technischen Eingabedaten (siehe folgende Abbildung) vorzugeben:
Wasser
Unter der Überschrift Frischwasser müssen die Konzentrationszyklen und der Faktor des Sprühverlusts angegeben werden.
Die Konzentrationszyklen (Cycles of Concentration, \( COC \)) beziehen sich auf die Ansammlung gelöster Mineralien in dem rezirkulierenden Kühlwasser. Um die sich ansammelnden Mineralien abzutransportieren, muss das Kühlwasser regelmäßig teilweise abgeflutet und durch Zusatzwasser ersetzt werden. Die Konzentrationszyklen (\( COC \)) sind als Quotient aus der Salzkonzentration im Abflutwasser (Dividend) und der Salzkonzentration im Zusatzwasser (Divisor) definiert. Es ist ein Wert zwischen 3 und 7 einzutragen.
Der Faktor des Sprühverlusts gibt den Anteil des Wassers an, der als Wassertropfen vom Kühlturm an die Luft abgegeben wird (Drift Loss Factor, \( DLF \)) und der ebenfalls durch Zusatzwasser ersetzt werden muss.
Folgende Angaben sind zum Wärmeträger Wasser erforderlich:
Die Eintrittstemperatur geben Sie als geschätzten Eingabewert vor.
Aus den Temperaturen des Wärmeträgermediums im Nennzustand wird der Nennförderstrom der Pumpe \( \dot{m}_{H_{2}O\ nenn} \) und des Ventilators \( \dot{m}_{Luft\ max} \) berechnet.
Aus den Temperaturen des Wärmeträgermediums im Betriebszustand (Geschätzte Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur) wird die Aufgenommene elektrische Leistung der Pumpe \( P_{el\ Pumpe} \) und des Ventilators \( P_{el\ Vent} \) berechnet.
Der Kühlgrenzabstand ist die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlwasser-Austrittstemperatur und der Feuchtkugeltemperatur der Umgebung. Der Kühlturm kann nicht unter die Temperatur kühlen, die sich aus der Summe des Kühlgrenzabstands und der Feuchtkugeltemperatur der Umgebung ergibt.
Die Feuchtkugeltemperatur der Umgebung wird aus der Umgebungstemperatur und entweder der Spezifischen oder der Relativen Umgebungsluftfeuchtigkeit berechnet und in den Technischen Ausgabedaten unter der Überschrift Wärmeträgermedium angegeben.
Luft
Für den Wärmeträger Luft sind die folgenden Daten erforderlich:
Diese Daten werden verwendet, um die benötigte Enthalpie für die Energiebilanz zu berechnen.
Die Umgebungstemperatur, der Umgebungsdruck und entweder die Relative Feuchte oder der Dampfgehalt (die spezifische Luftfeuchtigkeit) müssen unter der Überschrift Zustand der eintretenden Luft (Umgebung) vorgegeben werden.
Berechnung
Für die Berechnung der Massenströme und der Energie werden die folgenden Formeln benutzt:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{c\ nenn} = \dot{m}_{H_{2}O\ nenn} \cdot c_{p\ H_{2}O} \cdot \Delta T_{H_{2}O} \end{aligned}\end{equation}\), wobei \( c_{p\ H_{2}O} \) die Wärmekapazität des Wassers ist, und
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{c\ nenn} = \dot{m}_{Luft\ max} \cdot \Delta h_{Luft} \end{aligned}\end{equation}\), wobei \( \Delta h_{Luft} \) die Enthalpiedifferenz der Luft ist.
Für die Berechnung der benötigten Frischwassermenge werden die folgenden empirischen Formeln verwendet:
\( \begin{equation} \begin{aligned} Verdunstung = \dot{V}_{H_{2}O} \cdot 0,00085 \cdot 1,8 \cdot \Delta T_{H_{2}O} \end{aligned}\end{equation}\),
\( \begin{equation} \begin{aligned} Abflutwasser = Verdunstung / (COC-1) \end{aligned}\end{equation}\),
\( \begin{equation} \begin{aligned} Spr\ddot{u}hverlust = DLF \cdot \dot{V}_{H_{2}O} \end{aligned}\end{equation}\) und
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{V}_{Frischwasser} = Verdunstung + Abflutwasser + Spr\ddot{u}hverlust \end{aligned}\end{equation}\).
Teillastverhalten
Das Teillastverhalten lässt sich durch die Proportionale elektrische Leistungsaufnahme oder durch Kennlinien eingeben (relativ zur Nennleistung).
Die folgenden Gleichungen bilden den Zusammenhang zwischen den Volumenströmen und der elektrischen Leistungsaufnahme bei der Auswahl Proportionale elektrische Leistungsaufnahme ab:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \frac{ \dot{V}_{Luft}} {\dot{V}_{Luft\ max}} = \frac{P_{el\ Vent}} {P_{el\ Vent\ nenn}} \end{aligned}\end{equation}\),
\( \begin{equation} \begin{aligned} \frac{ \dot{V}_{H_{2}O}} {\dot{V}_{H_{2}O\ nenn}} = \frac{P_{el\ Pumpe}} {P_{el\ Pumpe\ nenn}} \end{aligned}\end{equation}\).
Bei der Auswahl Kennlinie eingeben (relativ zur Nennleistung) sind zwei Kennlinien vorzugeben.
Die erste Kennlinie \( f_{el\ Vent\ rel} \) stellt den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom der Luft \( \dot{V}_{Luft} \) und der elektrischen Leistung des Ventilators \( P_{el\ Vent} \) her.
Die zweite Kennlinie \( f_{el\ Pumpe\ rel} \) zeigt den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom des Kühlwassers \( \dot{V}_{H_{2}O} \) und der elektrischen Leistung der Pumpe \( P_{el\ Pumpe} \) (siehe folgende Abbildung).
Zur Berechnung des Teillastverhaltens werden die folgenden Formeln verwendet:
\( \begin{equation} \begin{aligned} f_{el\ Vent\ rel} \left ( \frac{ \dot{V}_{Luft}} {\dot{V}_{Luft\ max}} \right) = \frac{P_{el\ Vent}} {P_{el\ Vent\ nenn}} \end{aligned}\end{equation} \),
\( \begin{equation} \begin{aligned} f_{el\ Pumpe\ rel} \left ( \frac{ \dot{V}_{H_{2}O}} {\dot{V}_{H_{2}O\ nenn}} \right) = \frac{P_{el\ Pumpe}} {P_{el\ Pumpe\ nenn}} \end{aligned}\end{equation} \).
Wirtschaftliche Daten
Neben den übrigen betriebsgebundenen Kosten und den kapitalgebundenen Kosten (Investitionskosten und Reinvestitionskosten) werden in der wirtschaftlichen Auswertung zusätzlich die Kosten für Betriebsmittel (Wasser und Abwasser) berücksichtigt. Um den oben beschriebenen Wasserverbrauch und Abwasseranfall abzubilden, fließen die Kosten für Wasser und Abwasser in die wirtschaftliche Bilanz in der Variantenanalyse als Betriebskosten ein, wenn zuvor in den Wirtschaftlichen Eingabedaten (siehe folgende Abbildung) der Wasserpreis und der Abwasserpreis angegeben wurden.
Technische Ausgabedaten
In den Technischen Ausgabedaten (siehe folgende Abbildung) wird der Wirkungsgrad (Kühlung) angezeigt, der das Verhältnis von tatsächlich abgegebener Wärme zu potenziell maximal ableitbarer Wärme angibt. Er wird mit der folgenden Formel berechnet:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \eta = \frac{ T_{K\ddot{u}hlwasser\ ein} – T_{K\ddot{u}hlwasser\ aus}} {T_{K\ddot{u}hlwasser\ ein} – T_{Feuchtkugel}} \end{aligned}\end{equation}\).
Im Abschnitt Elektrische Leistungsaufnahme werden die gesamte berechnete Aufgenommene elektrische Leistung und ihre Anteile des Ventilators und der Pumpe ausgegeben (siehe folgende Abbildung).
Für das Wärmeträgermedium (Wasser) werden die Kühlzonenbreite (Differenz zwischen Kühlwasser-Eintrittstemperatur und –Austrittstemperatur), die Volumenströme des Kühlwassers und der Luft sowie die Feuchtkugeltemperatur der Umgebung ausgegeben (siehe folgende Abbildung).
Zuletzt werden der Volumenstrom des Zusatzwassers und seiner Teile (Verdunstungswasser, Sprühverlust vom Wasser und Abflutwasser) und der Zustand der eintretenden Luft (Umgebung) durch die Feuchtkugeltemperatur, den Dampfgehalt, den Sättigungsdampfgehalt sowie den Sättigungsdampfdruck angegeben (siehe folgende Abbildung).
