Die thermische Auslegung nasser Kühltürme beruht noch weitgehend auf Merkels Arbeit von 1925 [1]. Merkel führte den gekoppelten Wärme- und Stoffübergang in Luft-Wasser-Systemen auf einen einzigen Übertragungsvorgang zurück, der von der Enthalpiedifferenz getrieben wird. Diese Reduktion machte die Aufgabe von Hand lösbar, und deshalb hat das Verfahren ein Jahrhundert überdauert.
Die drei Annahmen, auf denen es ruht
- Der Lewis-Faktor wird zu 1 gesetzt — das Verhältnis zwischen Wärme- und Stoffübergangskoeffizient gilt als konstant.
- Verdunstetes Wasser wird in der Energiebilanz vernachlässigt — die Abnahme des Wasserstroms wird nicht berücksichtigt.
- Die austretende Luft wird als gesättigt angenommen und allein über ihre Enthalpie beschrieben.
Kloppers und Kröger vergleichen die Verfahren nach Merkel, Poppe und e-NTU und zeigen, wo und um wie viel diese Annahmen das Ergebnis verzerren [2]. Der ausführlichere Ansatz von Poppe und Rögener lässt die Sättigungsannahme fallen und löst den wirklichen Zustand der austretenden Luft.
In der Praxis zählt der Unterschied hier: Muss die verdunstete Wassermenge genau bekannt sein — Wasserverbrauch, Abflutlast, Salzanreicherung —, genügt Merkel nicht.
Was CFD einem Turm hinzufügt
Merkel und seine Nachfolger sind eine Rechnung zum Verhalten der Einbauten, und deren Kennwert stammt aus dem Versuch. Wohin CFD gehört, ist das, was diese Rechnung voraussetzt, der Standort aber nicht liefert:
Verteilung. Die Rechnung setzt voraus, dass Luft und Wasser gleichmäßig über die Einbauten verteilt sind. In Wirklichkeit stören Ventilatoreintritt, Tropfenabscheider und Tragwerk das. Der größte Teil des unerklärten Leistungsverlusts eines Turms liegt hier.
Rezirkulation. Warme, feuchte Abluft findet ihren Weg zurück zum Ansaug. Weil sie die Feuchtkugeltemperatur anhebt, ist dies ein unmittelbarer Leistungsverlust, und er hängt von der Anordnung am Standort, der Windrichtung und den Nachbarbauten ab — nichts davon ist sichtbar, ohne die Außenumgebung zu modellieren.
Tropfenauswurf. Vom Luftstrom mitgerissene Tropfen; aus Umwelt- und Korrosionsgründen bedeutsam. Das ist eine Aufgabe der Partikelverfolgung.
Winterbedingungen. Vereisung und Eisbildung beginnen dort, wo die Verteilung am schwächsten ist; eine Mittelwertrechnung zeigt das nicht.
Eine Anmerkung zur Modellierung
Die Einbauten Zelle für Zelle aufzulösen ist weder möglich noch nötig; sie werden als poröser Bereich mit bekanntem Widerstand und bekanntem Enthalpieübertragungskennwert abgebildet. Der gewonnene Genauigkeitszuwachs liegt nicht im Inneren der Einbauten, sondern darin, wie sie angeströmt werden.
Die Ergebnisse sollten gegen einen anerkannten Leistungsnachweis verglichen werden; wird die Messunsicherheit ignoriert, ist die Übereinstimmung ein Zufall. Siehe die Notiz zu Verifizierung und Validierung.
Referenzen
- Merkel, F. (1925). Verdunstungskühlung. VDI-Forschungsarbeiten No. 275, VDI-Verlag, Berlin.
- Kloppers, J. C. & Kröger, D. G. (2005). Cooling tower performance evaluation: Merkel, Poppe, and e-NTU methods of analysis. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 127(1), 1–7. DOI: 10.1115/1.1787504