Die drei Kühlturm-Komponenten Trockenkühlturm, Nasskühlturm und Hybridkühlturm zeichnen sich durch Besonderheiten, wie den Kühlgrenzabstand und die Relative Luftfeuchte im Auslegungszustand aus. Diese Merkmale und das damit verbundene Verhalten werden in dem Tutorial in drei Fällen demonstriert:
Ein- und Austrittstemperatur des Kühlwassers
Wenn die tatsächliche Differenz der Eintritts- und Austrittstemperatur des Kühlwassers kleiner als die Differenz der Nenneintritts- und Nennaustrittstemperatur ist, ist auch die maximale Kälteleistung des Kühlturms kleiner. Die Ursache verdeutlicht die folgende Formel:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q} = \dot{m}_{H_2O} ⋅ c_{p\ H_2O} ⋅ \Delta T_{K\ddot{u}hlwasser}\end{aligned}\end{equation}\).
Wenn bei einem konstanten Massenstrom des Kühlwassers und einer konstanten Wärmekapazität des Wassers \( c_{p\ H_{2}O} \) die Temperaturdifferenz kleiner als die Nenntemperaturdifferenz ist, ist die Kälteleistung kleiner als die Nennrückkühlleistung. Da die Kühlleistung durch den Volumenstrom der Luft begrenzt ist, kann die maximale Kühlleistung des Nasskühlturms oder des Nassteils des Hybridkühlturms nicht die jeweilige Nennrückkühlleistung übersteigen.
Lufttemperatur
Die Kälteleistung und die Leistung des Ventilators der Komponenten Nasskühlturm und Hybridkühlturm sind von der Umgebungstemperatur abhängig. Die Umgebungstemperatur muss im Formular des Simulationsknotens unter Allgemein → Referenz- und Umgebungszustand angegeben werden.
In den Technischen Eingabedaten der Komponenten Nasskühlturm und Hybridkühlturm müssen außerdem die Relative oder die Spezifische Luftfeuchte und die Auslegungs-Trockentemperatur am Eintritt vorgegeben werden.
Die niedrigste Temperatur, auf die der Kühlturm das Kühlwasser kühlen kann, wird durch die Umgebungstemperatur, die Feuchtkugeltemperatur und den Kühlgrenzabstand bestimmt.
Fall 1 – Kühlgrenzabstand und Umgebungstemperatur
Zwei parallel geschaltete Nasskühltürme haben in diesem Fall eine Nennrückkühlleistung von je 1000 kW und eine Auslegungs-Trockentemperatur am Eintritt von 25° C. Die beiden Kühltürme sollen einen Kältebedarf von 700 kW decken (siehe folgendes Schema).
Das Kühlwasser wird von 55° C auf 40° C abgekühlt. Dabei stimmen die Nennaustrittstemperatur und die Austrittstemperatur mit 45 °C und die Nenneintrittstemperatur und die Geschätzte Eintrittstemperatur mit 55° C jeweils überein. Für die Umgebungstemperatur wurde eine logarithmische Funktion von 10° C bis 39,43° C vorgegeben.
Die Pumpe und der Ventilator des Hauptkühlturms sind effizienter als die des Hilfskühlturms, aber der Kühlgrenzabstand des Hauptkühlturms ist mit 12° C größer als der des Hilfskühlturms, der nur 6° C beträgt.
Mit einem Kühlgrenzabstand von 12° C kann der Hauptkühlturm bei einer maximalen Feuchtkugeltemperatur von 28° C das Kühlwasser nur auf 40° C kühlen. Eine Relative Luftfeuchte von 50 % und eine Feuchtkugeltemperatur von 28° C entsprechen einer Lufttemperatur von ungefähr 37,3° C. Wenn die Lufttemperatur 37,3° C erreicht, stoppt der Hauptkühlturm, und der Hilfskühlturm beginnt zu arbeiten. Der Hilfskühlturm kann bis zu einer Lufttemperatur von 44,4° C (Feuchtkugeltemperatur von 34° C und Luftfeuchte von 50 %) kühlen. Wenn die Feuchtkugeltemperatur der Umgebung über 34° C steigt, kann die Anlage das Kühlwasser nicht mehr auf die gewünschte Temperatur kühlen.
Die folgende Abbildung zeigt die Zeitreihen der Umgebungstemperatur (Lufttemperatur), der Feuchtkugeltemperatur der Umgebung, der Kälteleistung des Hauptkühlturms und der Kälteleistung des Hilfskühlturms. Diese Ansicht ist in der Komponente Zeitreihen-Ansicht gespeichert.
Fall 2 – Kühlanteil und Abschalten des Trockenteils
Entsprechend dem folgenden Schema soll ein Hybridkühlturm mit Parallelem Luftstrom und Zwangszug, einer Nennrückkühlleistung des Trockenteils von 300 kW und einer Nennrückkühlleistung des Nassteils von 700 kW bei einer Auslegungs-Trockentemperatur am Eintritt von 25° C einen Kältebedarf von 350 kW decken.
Die Nennrückkühlleistung des Trockenteils beträgt 15 kW, die Nennrückkühlleistung des Nassteils beträgt 5 kW, und die Nennleistung der Pumpe beträgt 8 kW. Das Kühlwasser wird von 55° C auf 45° C abgekühlt. Dabei stimmen die Nennaustrittstemperatur und die Austrittstemperatur mit 45 °C und die Nenneintrittstemperatur und die Geschätzte Eintrittstemperatur mit 55° C jeweils überein.
Die Umgebungstemperatur steigt stetig von 0° C auf 35° C.
Die folgende Abbildung zeigt den Kühlanteil des Trockenteils. Bis zum ersten markierten Punkt kann der Trockenteil allein den Kältebedarf decken. Danach arbeiten der Nass- und der Trockenteil gleichzeitig. Nach dem zweiten markierten Punkt kühlt der Trockenteil nicht mehr, denn wegen des Strompreises, des Wasserpreises und der Leistungen ist es günstiger, nur den Nassteil zu betreiben. Die Stromaufnahme ist deutlich niedriger, wenn der Ventilator des Trockenteils abgeschaltet ist. Die Summe der Leistungen des Ventilators des Nassteils und der Pumpe ist kleiner als die Nennleistung des Ventilators des Trockenteils.
Fall 3 – Stufige versus variable Drehzahlen
Der dritte Fall vergleicht die Stromaufnahme von zwei Nasskühltürmen mit Pumpen und Ventilatoren einmal mit stufigen Drehzahen und einmal mit variablen Drehzahlen. Die stufigen Drehzahlen der Pumpen und Ventilatoren können zum Beispiel dadurch entstehen, dass Pumpen und Ventilatoren mit jeweils unterschiedlichen konstanten Drehzahlen miteinander zu Gruppen kombiniert und nacheinander betrieben werden.
Der Kältebedarf ist eine von 10 kW bis 790 kW stetig ansteigende Zeitreihe. Die Umgebungstemperatur beträgt 10° C, und die Relative Luftfeuchte beträgt 50 %. Beide Kühltürme sind parallel geschaltet (siehe folgende Abbildung).
Die folgende Abbildung zeigt die Technischen Eingabedaten des Nasskühlturms mit variablen Drehzahlen der Pumpe und des Ventilators.
Die Technischen Eingabedaten des Nasskühlturms mit stufigen Drehzahlen des Ventilators und der Pumpe zeigt die folgende Abbildung.
Der Zusammenhang von Kältebedarf, Aufgenommener elektrischer Leistung des Kühlturms mit variablen Drehzahlen und Aufgenommener elektrischer Leistung des Kühlturms mit stufigen Drehzahlen ist in der folgenden Abbildung zu erkennen. Zuerst arbeitet nur der Kühlturm mit stufigen Drehzahlen, nur in der ersten Stufe. Danach arbeiten beide Kühltürme gleichzeitig. Wenn eine höhere Pumpen- und Ventilatorstufe des Kühlturms mit stufigen Drehzahlen eingeschaltet wird, sinkt die Stromaufnahme des Kühlturms mit variablen Drehzahlen.
