Freie Kühlsysteme können den Besitzern solcher Systeme erhebliche Einsparungen bringen. Die Höhe der möglichen Energieeinsparungen hängt jedoch fast ausschließlich vom Gesamtsystemdesign und der Auswahl der im System zu verwendenden Geräte ab. Im Allgemeinen muss der Konstrukteur höhere Ausrüstungskosten mit größeren Möglichkeiten für Energieeinsparungen in Einklang bringen. Glücklicherweise sind diese Einsparungen – und die damit verbundenen Kosten – einigermaßen quantifizierbar, sodass Designer auf der Grundlage verlässlicher Informationen intelligente Entscheidungen treffen können. In diesem Artikel werden Methoden zur Kapazitätssteuerung in Entwurfsplänen für die freie Kühlung beschrieben.
Für Saugzug- und Zwangszugkühltürme sind gesonderte Richtlinien zur Leistungsregelung bei Freikühlungsanwendungen erforderlich, die im Folgenden detailliert beschrieben werden. Der Steuerungsablauf für einen Kühlturm, der bei niedrigen Umgebungsbedingungen betrieben wird, ist weitgehend derselbe wie für einen Kühlturm, der unter Sommerbedingungen betrieben wird, sofern die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt. Wenn das Wetter sehr kalt wird, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um eine mögliche schädliche Eisbildung zu verhindern.
Es ist sehr wichtig, den Kühlturm während des Winterbetriebs genau zu kontrollieren. EVAPCO empfiehlt, dass a MINDEST-Austrittswassertemperatur von 45 °F muss im Freikühlbetrieb eingehalten werden. Labortests und Felderfahrungen haben jedoch gezeigt, dass 42 °F als ABSOLUTE MINIMALE Wasseraustrittstemperatur dienen sollte. Offensichtlich ist die Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung umso geringer, je höher die Austrittstemperatur des Wassers aus dem Turm ist. Dies setzt voraus, dass der ordnungsgemäße Wasserfluss über den Kühlturm aufrechterhalten wird und die im Bulletin genannten Betriebsverfahren für den Ventilator befolgt werden.
Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der Kapazitätskontrollsequenzen für Saugzug- und Zwangszugeinheiten. Es wird eine Betriebssequenz für Türme gezeigt, die Motorsteuerungen mit Einzelgeschwindigkeit, Zweigeschwindigkeit und variabler Geschwindigkeit verwenden. Außerdem sind Überlegungen zur Kapazitätskontrolle für Kühltürme mit mehreren Zellen enthalten. Im Anhang dieses Bulletins werden die empfohlenen Leistungssteuerungssequenzen für Kühltürme, die unter freien Kühlbedingungen betrieben werden, ausführlicher dargestellt.
Kapazitätskontrolle (Saugzug)
Die Kapazitätsregelung von Saugzugkühltürmen, die bei Freikühlungsanwendungen betrieben werden, kann mithilfe verschiedener Methoden erreicht werden. Die gebräuchlichsten Methoden zur Kapazitätskontrolle sind:
- Radfahren von einstufigen Lüftermotoren
- Verwendung von Lüftermotoren mit zwei Geschwindigkeiten
- Verwendung von Frequenzumrichtern (VFDs)
Die einfachste Methode zur Leistungssteuerung eines Kühlturms während des Freikühlbetriebs besteht darin, den Lüftermotor als Reaktion auf die Austrittswassertemperatur des Turms ein- und auszuschalten. Diese Steuerungsmethode führt jedoch zu größeren Temperaturunterschieden und längeren Zeiträumen mit ausgeschalteten Lüftern. Bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen kann die feuchte Luft am Lüfterantriebssystem kondensieren und gefrieren. Daher müssen die Ventilatoren bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen eingeschaltet werden, um lange Phasen des Leerlaufs der Ventilatoren zu vermeiden, unabhängig davon, ob das Wasser über den Füllkörper oder im Bypass fließt. Bitte beachten Sie, dass übermäßige Lüfterzyklen zu Schäden am Lüftermotor führen können: Die Anzahl der Starts und Stopps des Lüftermotors sollte auf sechs pro Stunde begrenzt werden. Wenn die Gebäudebelastung gering ist, sind die Ventilatoren im Turm längere Zeit ausgeschaltet, wodurch die Gefahr einer Vereisung an den Lufteinlasslamellen des Geräts größer ist. Daher ist das Ein- und Ausschalten einstufiger Lüftermotoren die am wenigsten empfohlene Methode zur Leistungssteuerung.
Eine weitere Möglichkeit zur Leistungsregelung besteht in der Verwendung von Lüftermotoren mit zwei Drehzahlen, die über eine zusätzliche Stufe der Leistungsregelung verfügen. Dieser Schritt verringert den Wassertemperaturunterschied und damit die Zeitspanne, in der die Lüfter ausgeschaltet sind. Darüber hinaus sorgen Motoren mit zwei Drehzahlen für erhebliche Einsparungen bei den Energiekosten, da der Turm möglicherweise während des Großteils der Freikühlsaison mit niedriger Drehzahl betrieben werden kann.
Die genaueste Methode zur Leistungsregelung eines Saugzugturms ist der Einsatz von Frequenzumrichtern. Dies ermöglicht eine viel genauere Kontrolle der Austrittswassertemperatur, indem der/die Ventilatoren mit der richtigen Geschwindigkeit laufen können, um der Gebäudelast genau zu entsprechen. Allerdings könnte der Einsatz eines VFD mit einem Saugzugkühlturm zur Eisbildung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beitragen. Wenn die Gebäudelast abnimmt, kann es sein, dass das variable Frequenzsteuerungssystem längere Zeit bei Lüftergeschwindigkeiten unter 50 Prozent arbeitet. Der Betrieb bei niedrigen Austrittswassertemperaturen und geringer Luftgeschwindigkeit durch das Gerät kann zur Eisbildung an verschiedenen Stellen im Gerät führen.
Daher wird empfohlen, die MINIMUM-Geschwindigkeit des Frequenzumrichters auf 50 Prozent der vollen Geschwindigkeit einzustellen, um die Möglichkeit der Eisbildung im Gerät während des Kühlturmbetriebs bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu minimieren. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Eismanagement.
Kapazitätskontrolle (Zwangszug)
Die Kapazitätsregelung von Kühltürmen mit Zwangsbelüftung, die bei Freikühlungsanwendungen betrieben werden, kann durch verschiedene Methoden erreicht werden. Ähnlich wie bei den Saugzuggeräten bestehen die gebräuchlichsten Methoden zur Leistungsregelung darin, Lüftermotoren mit einer Drehzahl zu schalten, Lüftermotoren mit zwei Drehzahlen oder Pony-Motoren zu verwenden oder Antriebe mit variabler Frequenz zur Steuerung des/der Kühlturmlüfter(s) zu verwenden. Obwohl die Methoden zur Kapazitätskontrolle für Zwangszug-Einheiten denen für Saugzug-Einheiten ähneln, gibt es im Folgenden einige wesentliche Unterschiede, die näher erläutert werden.
Die einfachste Methode zur Leistungsregelung für Zwangszuggeräte besteht darin, den/die Ventilatoren zyklisch ein- und auszuschalten. Diese Steuerungsmethode führt jedoch zu größeren Temperaturunterschieden und zu längeren Zeiträumen mit ausgeschalteten Lüftern. Wenn die Lüfter ausgeschaltet sind, kann das durch das Gerät fallende Wasser einen Luftstrom durch den Lüfterbereich bewirken.
Bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen kann diese feuchte Luft an den kalten Komponenten des Lüfterantriebssystems kondensieren und gefrieren. Wenn sich die Bedingungen ändern und eine Kühlung erforderlich ist, können übermäßige Eismengen, die sich möglicherweise auf dem Antriebssystem gebildet haben, Lüfter und Lüfterwellen zerstören, die plötzlich in Betrieb sein müssen. Daher MÜSSEN die Lüfter während des Betriebs bei niedrigen Umgebungstemperaturen eingeschaltet werden, um einen langen Leerlauf des Lüfters zu vermeiden. Bitte beachten Sie, dass übermäßiges Radfahren die Lüftermotoren beschädigen kann. Begrenzen Sie die Anzahl der Starts auf sechs pro Stunde.
Zweigeschwindigkeits- oder Ponymotoren bieten eine bessere Steuerungsmethode als Motoren mit einer Geschwindigkeit. Die Motorsteuerung mit zwei Geschwindigkeiten ermöglicht eine zusätzliche Stufe der Leistungssteuerung, verringert Wassertemperaturunterschiede und die Zeitspanne, in der die Ventilatoren ausgeschaltet sind, und sorgt für Einsparungen bei den Energiekosten. Diese Methode der Kapazitätssteuerung hat sich bei Anwendungen mit übermäßigen Lastschwankungen und mäßigen Winterbedingungen als wirksam erwiesen.
Antriebe mit variabler Frequenz bieten die flexibelste Methode zur Kapazitätssteuerung für Kühltürme mit Zwangszug. Das Antriebssteuerungssystem mit variabler Frequenz ermöglicht den Betrieb der Lüfter mit einem nahezu unbegrenzten Drehzahlbereich, um die Gerätekapazität an die Systemlast anzupassen. In Zeiten reduzierter Last und niedriger Umgebungstemperaturen können die Lüfter auf einer Mindestgeschwindigkeit (25 % der Vollgeschwindigkeit) gehalten werden, wodurch ein Überdruck im Inneren des Geräts gewährleistet wird. Dieser Überdruck im Gerät verhindert, dass feuchte Luft zu den kalten Lüfterantriebskomponenten wandert, wodurch die Gefahr der Bildung von Kondenswasser und des anschließenden Gefrierens auf diesen Komponenten verringert wird.
Die Steuerungsmethode mit variabler Drehzahlregelung sollte für Anwendungen mit schwankender Last und strengen Wintertemperaturen implementiert werden.
Kapazitätskontrolle (mehrere Zelleinheiten)
Mehrzellige Saug- und Zwangszugkühltürme erfordern andere Steuerungssequenzen als einzellige Kühltürme. Bei Kühltürmen mit mehreren Zellen ist es wichtig, dass die Ventilatoren und der Wasserfluss über jede Zelle ordnungsgemäß gesteuert werden.
Proper fan control is essential to avoid the potential for building ice in one of the cells of a multiple-cell cooling tower. All fans in operating cells MUST be controlled simultaneously to avoid freezing conditions in any one cell. The correct method for fan control of a multiple-cell cooling tower during free cooling operation is shown in figure below.
Instead of cycling one fan on and one fan off; both fans should be operated together at low speed in order to reach a 45 degree leaving water temperature. This method of operation has the same 65 degree water entering both cells; however with both fans operating at low speed, this allows 45 degree water to enter the basin from each cell. The final leaving water temperature of the cooling tower is 45 degrees, and the potential for freezing in any one cell is eliminated.
The INCORRECT method of multiple cell fan control is shown below in figure below. In this example, 65 degree system water is pumped through each cell’s water distribution system. However, the fan in Cell 1 is off and the fan in Cell 2 is on. Since the fan is off in Cell 1 water entering the basin is 55 degrees, and the fan of Cell 2 is on water entering the basin is 35 degrees, the resulting net water temperature between the basins is 45 degrees. This meets the required minimum temperature of 45 degrees; however the Cell 2 temperature is too low which may result in localized freezing.
Along with providing the proper fan control, it is also strongly recommended that the leaving water temperature be monitored in all cells. The basin temperature sensors can be placed in either the suction piping or the cold water basin. This can help determine possible icing conditions in each cell. However, if two cells operating together have too much capacity causing excessive fan cycling, then directing all of the load to one cell and shutting down the other cell completely should be considered.
Typically, the winter cooling loads are much less than what is seen during the summer cooling season. Therefore, the water flowrate through the tower may be reduced, which can create the potential for ice buildup on or inside the unit.
It is recommended that the water flowrate be directed to as few cells as possible, since the cooling tower performs better with the system flowrate as near the design flow per cell as possible. This ensures that the water distribution system maintains a proper spray pattern over the fill and avoids a low flow condition that can lead to ice formation inside the cooling tower.
In some cases, design winter flow rates are reduced beyond the lower limits of the spray nozzle performance range. In this case, a special water distribution system can be incorporated to accommodate the winter design flowrate. This design may utilize an additional water distribution system with spray nozzles that are capable of performing under very low flow conditions. Typically, the additional water distribution system is limited to one cell of the induced draft cooling tower.