Kühlturm

Ein Kühlturm kühlt das warme Wasser aus den Kondensatoren eines Kraftwerks oder einer Fabrik, indem er es durch einen Luftstrom fallen lässt: Ein kleiner Teil verdunstet und nimmt die Wärme mit. Das gekühlte Wasser fließt zum Kondensator zurück. Ein erster hölzerner Turm mit Kaminzug, gebaut von Hans Joachim Balcke, wurde 1894 in Nürnberg erprobt, und die hohe Hyperboloidschale aus Beton kam im Ersten Weltkrieg aus den Niederlanden.

Was es ist

Eine Kondensationsdampfmaschine oder -turbine verwandelt ihren Abdampf in einem Kondensator wieder in Wasser, und der Kondensator braucht dafür einen ständigen Strom kalten Wassers. Wo ein Fluss oder See nicht alles liefern kann, dient ein Kühlturm: Das warme Wasser aus dem Kondensator wird in den Turm gepumpt und über Rieseleinbauten verteilt, fällt durch einen Luftstrom und sammelt sich gekühlt in einem Becken am Boden, von wo es zum Kondensator zurückfließt.

Die großen Kühltürme der Kraftwerke sind Schalen aus Stahlbeton, unten breit, darüber schmaler und oben leicht ausgestellt, die auf einem Kranz schlanker Stützen stehen. Sie arbeiten ohne Ventilatoren: Die Luft steigt von selbst durch sie hinauf. Kleinere Türme an Fabriken, Krankenhäusern und Bürogebäuden sind Kästen, durch die Ventilatoren die Luft treiben. In beiden Fällen geht der größte Teil der Wärme mit dem Wasserdampf fort, der oben aufsteigt.

Wie es funktioniert

In einem Zwangszugturm saugt ein Ventilator oben die Luft durch das fallende Wasser.

Wasser braucht viel Wärme, um zu verdunsten, und nimmt sie dem übrigen Wasser weg. Ein Kühlturm nutzt das im großen Maßstab. Düsen verteilen das warme Wasser über die Rieseleinbauten, Lagen aus Platten oder Latten, die es in dünne Filme und Tropfen zerteilen, damit möglichst viel seiner Oberfläche mit der Luft in Berührung kommt. In Gegenstromtürmen steigt die Luft dem fallenden Wasser entgegen, in Querstromtürmen strömt sie seitlich durch die Einbauten. Tropfenabscheider, Reihen von Leitblechen über den Düsen, halten die meisten feinen Tröpfchen zurück, die die Luft sonst forttragen würde.

In einem Naturzugturm sitzen Verteilung und Rieseleinbauten nur im untersten Teil der Schale, knapp über den Lufteintritten; darüber ist die Schale ein leerer Kamin. Die Luft, die durch die Einbauten gegangen ist, ist wärmer und feuchter als die Außenluft und deshalb leichter. Sie steigt in der Schale auf wie Rauch in einem Schornstein und saugt durch die Öffnungen am Fuß frische Luft nach. Die doppelte Krümmung des Hyperboloids versteift die dünne Betonschale gegen ihr Eigengewicht und gegen den Wind, sodass ein sehr großer Turm vergleichsweise wenig Material braucht.

Das verdunstete Wasser lässt die Salze zurück, die darin gelöst waren, und sie reichern sich bei jedem Umlauf durch den Turm weiter an. Damit sie keinen Kesselstein bilden, wird regelmäßig ein Teil des Wassers abgelassen, die Abflutung, und frisches Zusatzwasser ersetzt ihn zusammen mit dem verdunsteten Wasser und dem, was als Tröpfchen verloren ging.

So geht’s

Warmes Wasser, das durch eine gefüllte Flasche läuft, kommt unten kühler heraus.

Eine durchsichtige Kunststoffflasche und ein paar Topfreiniger aus Kunststoff ergeben ein funktionierendes Modell. Lassen Sie einen Erwachsenen den Boden einer großen Kunststoffflasche abschneiden und ein paar kleine Löcher in ihren Deckel stechen. Stellen Sie die Flasche kopfüber auf drei Steine in eine Schüssel, damit Luft zwischen den Steinen und dem Flaschenhals eintreten kann, und füllen Sie sie locker mit den Topfreinigern. Füllen Sie einen Krug mit warmem Leitungswasser, nicht wärmer, als es sich an der Hand angenehm anfühlt, und messen Sie seine Temperatur.

Gießen Sie das Wasser langsam über die Füllung und lesen Sie die Temperatur des Wassers in der Schüssel ab, sobald der Krug leer ist. Wiederholen Sie den Versuch mit leerer Flasche und dann mit Füllung und einem kleinen batteriebetriebenen Ventilator, der von unten hineinbläst. Je größer die Fläche, über die sich das Wasser verteilt, und je mehr Luft hindurchgeht, desto kühler kommt es heraus, und an einem trockenen Tag ist der Unterschied größer als an einem feuchten.

Sicherheitshinweis. Verwenden Sie nur warmes Wasser, nie heißes oder kochendes, damit sich niemand verbrüht. Verwenden Sie in der Nähe des Wassers nur einen batteriebetriebenen Ventilator, nie ein Gerät am Stromnetz. Die Schnittkante der Flasche kann scharf sein; ein Erwachsener schneidet sie und klebt sie ab. In stehendem warmem Wasser können Legionellen wachsen, Bakterien, die die Legionärskrankheit auslösen, wenn man Tröpfchen einatmet: Sprühen Sie das Wasser nicht in die Luft, leeren Sie Schüssel und Flasche gleich nach dem Versuch, spülen Sie sie aus und lassen Sie alles trocknen.

Geschichte und Entwicklung

Eine Kondensationsdampfmaschine braucht sehr viel Kühlwasser, und nicht jede Fabrik und jedes frühe Elektrizitätswerk hatte einen Fluss in der Nähe, der es liefern konnte. Der deutsche Ingenieur Hans Joachim Balcke kühlte dieses Wasser als Erster in einem Turm, der seine Luft durch Kaminzug ansaugte, und gründete 1894 in Bochum eine Firma, um solche Kaminkühler zu bauen. Laut dem Polytechnischen Journal wurde der erste, roh aus Holz gezimmert, 1894 auf dem Hof der Elektrizitätsgesellschaft Schuckert in Nürnberg probeweise in Betrieb genommen. In den Kühlern, die das Journal 1897 beschrieb, trat das warme Wasser hoch oben in einen hölzernen Schornstein ein und fiel über viele Jalousieböden, während die von ihm erwärmte Luft aufstieg und von unten kalte Luft nachzog.

Ein Turm der 1890er-Jahre: ein mit Ziegeln gefüllter Metallschacht, in dem ein Ventilator Luft durch das fallende Wasser nach oben bläst.

1896 beschrieben amerikanische Ingenieure Türme mit Ventilatoren. Im Edison-Elektrizitätswerk in Brooklyn war ein Turm als hoher, mit Ziegeln gefüllter Metallschacht gebaut. Das heiße Wasser aus den Kondensatoren wurde oben verteilt und rieselte durch die Ziegel, während ein Ventilator am Boden Luft hindurch nach oben blies. Das Wasser kam unten kalt genug heraus, um zu den Kondensatoren zurückzukehren, gekühlt vor allem durch Verdunstung.

Im Ersten Weltkrieg ließen sich die niederländischen Ingenieure Frederik van Iterson und Gerard Kuypers einen Kühlturm aus Stahlbeton patentieren, dessen Wände sich zur Mitte hin verengten und nach oben wieder weiteten. Solche Schalen, die ihre Luft ohne Ventilatoren ansaugen und für ihre Größe wenig Material brauchen, wurden zu den üblichen Kühltürmen großer Kohle- und Kernkraftwerke. Zwangszugtürme mit Ventilatoren dienen Fabriken, Raffinerien und der Klimatisierung großer Gebäude.

Weil sie warmes Wasser mit Luft in Berührung bringen und feine Tröpfchen abgeben, können Kühltürme Legionellen verbreiten. Ausbrüche der Legionärskrankheit wurden auf sie zurückgeführt, und regelmäßige Reinigung und Desinfektion der Türme, mit Tropfenabscheidern, die die Tröpfchen zurückhalten, sind das übliche Mittel dagegen.