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Wärmemanagement Mit EC-Ventilatoren zu effizienten Kühltürmen

Autor / Redakteur: Andreas Schneider / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Setzt man statt konventioneller AC-Technik EC-Motoren in Kühltürmen ein, lassen sich Energieverbrauch und Betriebskosten deutlich reduzieren. Der Umstieg auf EC-Ventilatoren lohnt sich aber noch aus weiteren Gründen – sagen die Experten von EBM-Papst.

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Kühltürme führen bei der Wasserkühlung eines Prozesses, einer Anlage oder eines Gebäudes die entstehende Abwärme an die Umgebungsluft ab – mithilfe von Ventilatoren.
Kühltürme führen bei der Wasserkühlung eines Prozesses, einer Anlage oder eines Gebäudes die entstehende Abwärme an die Umgebungsluft ab – mithilfe von Ventilatoren.
(Bild: EBM-Papst)

Ventilatoren sind in Kühltürmen dafür verantwortlich die entstehende Abwärme einer Anlage oder eines Gebäudes, die bei der Wasserkühlung eines Prozesses entsteht, an die Umgebungsluft abzuführen. Gleichzeitig müssen die eingesetzten Ventilatoren sehr robust sein, denn weder hohe Luftfeuchtigkeit, unterschiedliche Umwelteinflüsse noch schnelle Temperaturwechsel dürfen ihnen etwas anhaben. Zudem sollten sie möglichst leise sein, vor allem wenn die Kühltürme in der Nähe von Wohngebieten oder Mischgebieten stehen.

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Mit konventionell aufgebauten Kühltürmen wird es immer schwieriger, diese Forderungen zufriedenstellend zu erfüllen. Um die hohen Volumenströme zu erzeugen, wird üblicherweise ein sehr großer Ventilator eingesetzt, der über Getriebe oder Riemen von einem AC-Motor angetrieben wird. Aufgrund der großen und damit schweren Einzelteile handelt es sich um eine massive Konstruktion, die in der Regel erst auf der Baustelle montiert werden kann. Eine präzise Auswuchtung des rotierenden Laufrades ist dann kaum möglich, was im Betrieb häufig zu verfrühten Ausfällen führt. Oft arbeitet der Ventilator im Zweistufen-, Stern/Dreieck- oder Ein-/Aus-Betrieb. Außerdem werden die Eckbereiche der Kühltürme nur schlecht durchströmt und die Türme sind sehr hoch, weil ein großer Abstand zwischen Ventilator und Sprühdüsen des Wärmetauschers eingehalten werden muss, um eine gleichmäßige Durchströmung zu erreichen.

Mehrere, parallel arbeitende kleine Ventilatoren

Beim Ansatz von EBM-Papst wird der große Ventilator durch mehrere, parallel arbeitende kleinere Ventilatoren ersetzt – ein sogenanntes Fangrid, was in der Praxis einige Vorteile bringt. Die einzelnen Ventilatoren lassen sich nebeneinander anordnen, sodass der zur Verfügung stehende Platz bestmöglich ausgenutzt wird.

Bedingt durch den kleineren Durchmesser des Ventilators kann der Kühlturm kompakter gebaut werden und – bezogen auf seine Grundfläche – rechteckig oder quadratisch sein. Die kleineren Ventilatoren sind leichter beim Handling als ein einzelner großer. Letzteres vereinfacht den Transport und die Montage, ist aber auch bei einem Austausch hilfreich. Bis zum Austausch eines Ventilators kann der Kühlturm sogar ganz normal weiterlaufen. Die Drehzahl der anderen Ventilatoren wird einfach so angepasst, dass die Luftleistung gleich bleibt. Die entsprechenden Redundanzanforderungen können bereits bei der Auslegung berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass die Luftverteilung wesentlich gleichmäßiger ist, wenn mehrere Ventilatoren eingesetzt sind; alle Komponenten werden besser durchströmt und nachteilige Tot-Zonen reduziert.

Veranstaltungstipp

Die Cooling Days bieten geballtes Wärmemanagement-Knowhow und stellen zahlreiche neue Technologien und Produkte vor. Schwerpunkte in diesem Jahr sind Grundlagen am 22. Oktober, Techniktrends und Best Practice am 23. Oktober sowie Schaltschrank-Entwärmung und Leistungselektronik am 24. Oktober.

Fangrid-Ventilatoren in Axial- oder Radialausführung

Diese Vorteile lassen sich heute in den unterschiedlichsten Ausführungen nutzen. Der Motoren- und Ventilatorenspezialist EBM-Papst beispielsweise bietet solche Fangrid-Ventilatoren für Kühlturmanwendungen wahlweise in Axial- oder Radialausführung an. Damit lassen sich unterschiedliche Anforderungen an Druckaufbau und Volumenstrom erfüllen. Axialventilatoren zeigen ihre Stärken bei hohen Volumenströmen und überschaubarem Druckaufbau, also bei saugendem Betrieb. Radialventilatoren, bauartbedingt für höheren Gegendruck ausgelegt, empfehlen sich dagegen für drückenden Betrieb. Zudem stehen verschiedene Baugrößen mit unterschiedlichen Durchmessern zur Auswahl.

Um für die unterschiedlichen Anwendungen die optimale Ventilatorkombination zu finden, gibt es ein flexibles Auswahlwerkzeug: den EBM-Papst Fanscout. Diese Software ermittelt ausgehend von bis zu fünf anwendungsspezifischen Betriebspunkten und den zu erwartenden Betriebszeiten die wirtschaftlichste Fangrid-Lösung. Auch der zur Verfügung stehende Bauraum, die maximal gewünschte Ventilatoranzahl und Redundanzanforderungen können dabei berücksichtigt werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, die Lebenszykluskosten der in Frage kommenden Kombination zu ermitteln. So erhält der Anwender eine belastbare Kostenaufstellung als zuverlässige Basis für Investitions- als auch Modernisierungsentscheidungen.

EC-Technik: energieeffizient und leise

Treibende Kraft der Kühlturm-Ventilatoren sind moderne Greentech-EC-Antriebe, die sowohl im Voll- als auch im Teillastbetrieb sehr energieeffizient arbeiten, auf hohe Lebensdauer ausgelegt sind und sich in der Drehzahl stufenlos regeln lassen. Damit ist eine immer bedarfsgerechte Luftmenge garantiert. Mit ihren Wirkungsgraden von über 90 % liegen die Motoren deutlich über den in Effizienzklasse IE4 geforderten Werten. Ebenso trägt auch die Konzeption der Strömungsmaschine selbst zu Effizienzsteigerung und leisem Betrieb bei. Auch Lärmschutzbestimmungen lassen sich damit einhalten.

Dass sich die Energieeinsparung in der Praxis rechnet, zeigt ein Anwendungsbeispiel. Hier wurden in einem Kühlturm statt eines großen Ventilators mit 2100 mm Durchmesser, vier Axialventilatoren mit je 910 mm Durchmesser eingesetzt, um den gleichen Volumenstrom von 87.040 m³/h bei 100 Pa statischem Druck zu erzeugen. Die Leistungsaufnahme sank dadurch von 7,8 kW auf knapp 5,3 kW (viermal 1,32 kW). In Summe brachte das Retrofit für den Betreiber eine jährliche Energieeinsparung von fast 22.000 kWh.

Zur Laufüberwachung können die Ventilatoren über eine EBM-Papst-Cloud-Verbindung kontinuierlich überwacht werden. Dabei werden interne Messwerte, z.B. Drehzahl, Motortemperatur oder auch Vibrationswerte ausgelesen und an die Cloud übermittelt. Der Anwender hat dadurch die Fangrid-Ventilatoren stets „im Blick“ und kann, falls erforderlich, vorbeugende Wartungsmaßnahmen am Kühlturm einplanen.

Bei extremen Bedingungen getestet

Um der beim Kühlturmeinsatz hohen Luftfeuchtigkeit und den raschen Temperaturwechseln standzuhalten, sind die Ventilatoren sehr robust ausgelegt. Alle Komponenten sind durch spezielle Beschichtungen geschützt. Ihre Widerstandsfähigkeit haben die Ventilatoren-Baureihen unter extremen Prüfbedingungen bewiesen. Salznebeltests, Vibrations- und Schocktests und eigens entwickelte Korrosions- und Feuchtigkeitstests werden zur Qualifikation herangezogen. Dafür wurde von EBM-Papst eine maßgeschneiderte Umweltklassifizierung H2+C geschaffen.

Buchtipp

Das Buch Antriebspraxis enthält die Gesamtschau der eingesetzten Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl, die energiesparend und vernetzt arbeiten. Es erklärt sowohl die Arbeitsweise der Komponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Vernetzung in betrieblichen und globalen Netzen.

* Andreas Schneider ist Sales Engineer Refrigeration Air Conditioning bei EBM-Papst in Mulfingen.

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