Immer mehr Technologie-Branchen nutzen Kühltürme, um überschüssige Wärme aus Gebäuden oder Prozessen abzuführen. Serverfarmen oder -cluster sind für gewöhnlich an System-Switches und Router angebunden. Um ihre optimale Leistung zu gewährleisten, muss überschüssige Wärme abgeleitet werden. Die Fortschritte beim Cluster Computing, wissenschaftliche Simulationen (wie zum Beispiel Computational Fluid Dynamics), das Rendering von detaillierten 3D-Bildern im Healthcare-Bereich und komplexe Transaktionen von Internet-Unternehmen werden allesamt in Serverfarmen verarbeitet. Dabei wird die Serverleistung eher durch die Kühlkapazität des Gebäudes als durch die Prozessgeschwindigkeit begrenzt. Wenn 100 Watt zur Versorgung der Server aufgewendet werden, kommen oftmals 50 Watt für die Kühlung hinzu. Der wichtigste Auslegungsparameter für diese großen und komplexen Systeme ist ihre Leistung pro Watt. Die Aufrechterhaltung einer wirksamen und kontinuierlichen Kühlung ist daher entscheidend für die Serverleistung.
Facebook hat im nordschwedischen Lulea (etwa 100 km vom nördlichen Polarkreis entfernt) ein Servercluster eingerichtet, um sich die dortige kalte Luft zunutze zu machen. Die USA sind über Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkabel mit kühleren Regionen wie Island verbunden. Google betreibt weltweit zwölf Rechenzentren, davon sechs in den USA, mit einer Leistungsaufnahme von 260 Millionen Watt. Dies entspricht 0,01 % des globalen Stromverbrauchs. Amazon besitzt 450.000 Server an neun Standorten auf der ganzen Welt. Ein zehnter Standort wird derzeit im chinesischen Ningxia aufgebaut. Diese komplexen Großanlagen sind mit einem hohen Kühlbedarf verbunden. Bereits seit einiger Zeit geht der Trend weg vom Einsatz von Chemikalien hin zu chemikalienfreien, wassersparenden und robusteren Desinfektionsprozessen. Die UV-Desinfektion des Kühlwassers spielt bei diesen kritischen Prozessanwendungen eine wichtige Rolle: Sie verhindert das Wachstum von schädlichen Mikroorganismen, die eine Gesundheitsgefahr für die Mitarbeiter darstellen können, und steigern gleichzeitig die Leistung des Kühlsystems.
Verdunstungskühlung
Verdunstungskühlung erfolgt durch das Verdampfen von Wasser, das vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Dafür muss Wärmeenergie zugeführt werden: die sogenannte Verdampfungswärme. Diese Wärmeenergie wird als Abfallprodukt direkt von der Serveranlage bezogen. Kühltürme oder Verdunstungskondensatoren zählen zu den effizientesten und kostenwirksamsten Methoden der modernen Wärmeabführung, da sie den Kontakt zwischen der Luft und dem zu kühlenden Wasser maximieren.
Legionellen
Kühltürme in Verdunstungskühlanlagen und Warm- und Kaltwasseranlagen in Wohnhäusern sind häufig der Entstehungsort von Legionellen. Die Erkrankung wird durch das Einatmen von bakterienhaltigen Nebeltröpfchen ausgelöst. Eine UV-Wasseraufbereitung sorgt dafür, dass mikrobielle Kontaminanten, einschließlich Schleimbildnern, die die Kühlturmleistung beeinträchtigen, wirksam inaktiviert werden. Im Gegensatz zu chemischen Desinfektionssystemen besteht bei UV-Licht keine Toleranz seitens der Mikroorganismen. Kühltürme benötigen üblicherweise fast 66 % weniger Strom, um dieselbe Wärmemenge abzuführen wie alternative „Trockenmethoden“. Darüber hinaus kommen sie mit einer kleineren Standfläche aus und arbeiten weitaus geräuschärmer. Manche Serverfarmen nutzen rückgewonnenes Wasser für die Kühlung und sind dennoch auf eine optimale Leistung ihres Kühlkreises angewiesen.
Gelöste Feststoffe
Kühltürme verdampfen reines Wasser und lassen Schwebstoffe oder gelöste Feststoffe, wie zum Beispiel Mineralien, im Restwasser zurück. Diese Ansammlung von Feststoffen, auch Konzentrationsfaktor genannt, macht das Wasser unbrauchbar, reduziert die Betriebseffizienz und kann das rezirkulierende System schädigen. Um den Feststoffgehalt zu reduzieren, muss ein Teil des Systemwassers abgeblasen oder abgeleitet werden. In den USA sehen die Vorschriften zu vollständig gelösten Feststoffen (TDS) bei der Wasserversorgung vor, dass der Konzentrationsfaktor bei der Verdunstungskühlung auf 3 bis 3,5 gehalten werden muss. Dies führt dazu, dass bis zu 50 % des Wassers, das bei der Verdampfung verloren geht, ins Abwasser gelangt. Bei einer typischen Wärmeabgabe von 1 MW (1000 kW) entspricht dies etwa 560-760 Litern Abwasser pro Stunde. Um die Menge des verwendeten Trinkwassers zu reduzieren, kommen einige neue Techniken für Kühlwassersysteme zum Einsatz, etwa die Kühlung mit wiederaufbereitetem Wasser oder Abwasser. Dabei ist es wichtig, Filtrationsanlagen zu wählen, die den Wasserverlust durch die Rückspülung minimieren; zu diesem Zweck kommen in besonders anspruchsvollen Anwendungen hocheffiziente Schichtfilter wie die Vortisand® Systeme mit Cross-Flow-Mikrosandfiltration zum Einsatz.
Luftgetragene Verunreinigungen
Kühltürme sind wirksame Luftwäscher. Beim Kühlen spülen sie luftgetragene Verunreinigungen in das System, wo diese sich ablagern und die Wärmetauscherflächen verschmutzen. Schwebstoffe im Kühlwasser versorgen die Mikroorganismen zusätzlich mit Nährstoffen. Moderne UV-Systeme verwenden automatische Wischer, um den Strahlengang frei von Kontamination zu halten. Viele luftgetragene Kontaminanten sowie im Wasser gelöstes Eisen führen zum Fouling der Quarzrohre und verhindern die optimale Desinfektion des Kühlwassers.
Partikel mit einer Größe von unter 5 Mikrometern beeinträchtigen die Kühlleistung, indem sie die Flächen der Wärmetauscher verunreinigen (Fouling).
Fouling, Biofilm- und Schleimbildung
Die Dynamik der Flora und Fauna im Kühlwasser wird immer besser untersucht und verstanden. In Systemen, in denen eine einzige Mikrobenart oder -gruppe vorherrscht, kommt es häufig zu Problemen durch Fouling. Bei einem ausgewogenen Populationsmix tritt häufig kein oder nur wenig Fouling auf. Es ist wahrscheinlich, dass nebeneinander existierende gemischte Populationen miteinander um den verfügbaren Sauerstoff und Nährstoffe konkurrieren und dadurch ihr gegenseitiges Wachstum begrenzen. Wenn eine Gruppe die anderen erfolgreich verdrängt, kann sie sich ungehindert vermehren, was schnell zur Bildung von Biofilmen und Schleim führt.
Bakterienbesiedlung
Eine Vielzahl von Bakterien, wie unter anderem Klebsiella pneumoniae und Bacillus megaterium, können Kühlanlagen besiedeln. Sie sind meist kugel-, stäbchen, spiral- oder fadenförmig. Einige von ihnen bilden Sporen, um auch unter ungünstigen Bedingungen, wie Trockenperioden oder hohen Temperaturen, überleben zu können. Sowohl aerobe Bakterien (die zum Überleben Sauerstoff benötigen) als auch anaerobe Bakterien (wie zum Beispiel Desulfovibrio desulfuricans, sulfatreduzierende Bakterien, SRB, die auch ohne Sauerstoff leben können), sind in Kühlanlagen vertreten. Die SRB-Arten werden unmittelbar mit der mikrobiell induzierten Korrosion (MIC) in Verbindung gebracht, da sie Schwefel verstoffwechseln und Schwefelwasserstoff als Abfallprodukt bilden. Dies führt wiederum zur Bildung von Salzsäure, die die Korrosion von Rohren und Tragstrukturen verursacht.
Pilze
In Kühlanlagen sind verschiedene Formen von Pilzen zu finden, darunter Candida krusei und Trichoderma viride. Fadenförmige Schimmelpilze bringen freiliegendes Holz zum Faulen; Hefepilze hingegen produzieren eine große Menge von Schleim, der die Kühlleistung beeinträchtigen kann.
Algen
Auch Algen wie Chlorella pyrenoidosa und Scenedesmus obliquus finden sich oft in Kühlanlagen. Sehr häufig handelt es sich um grüne und blaugrüne Algenarten. Manche Algenarten bewachsen Siebe, die daraufhin verfaulen, oder blockieren Verteilungsschächte. Wenn keine Desinfektion erfolgt, bringt der Algenbewuchs den Wasserstrom aus dem Gleichgewicht, wodurch die Effizienz des Kühlturms erheblich reduziert wird.
UV-Systeme
Ein hocheffizientes Schichtfiltrationssystem in Kombination mit UV-Desinfektion entfernt Verunreinigungen, noch bevor sie die Betriebskosten erhöhen, Infektionen verursachen und/oder eine Stilllegung der Anlage zur Folge haben können. Früher wurden UV-Systeme in Kühlanlagen zur Desinfektion von Teilströmen eingesetzt. Moderne Hochleistungs-UV-Systeme können den Kühlkreis mit einer hohen UV-Dosis behandeln und den gesamten Behälterinhalt mehrmals umwälzen, sofern sie mit dem richtigen Abscheidungsverfahren kombiniert werden. Ein entscheidender Vorteil der UV-Desinfektion besteht darin, dass es nicht zu einer Überdosierung kommen kann.
Hocheffiziente Schichtfiltrationssysteme
Eine typische Kühlanlage wälzt die gesamte Wassermenge mehrmals pro Stunde um. Der Behälter fasst für gewöhnlich 26.000 bis 56.000 Liter, wobei eine Filtrationsrate von 1.800 bis 3.800 Litern pro Minute erreicht wird. Ein Kühlturm mit einer Kapazität von 100 Tonnen würde demnach 1.100 bis 1.800 Liter Kühlwasser pro Minute umwälzen. Auf Teilströmen basierende Technologien sind zwar kostengünstiger, erzielen bei der Desinfektion der Kühlanlage jedoch eine geringere Effizienz. Prozesskritische Anwendungen, wie zum Beispiel Serverfarmen, benötigen eine automatisierte Vollstrom-Desinfektion, die 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr in Betrieb ist.
Die Vortisand® Filtrationssysteme mit hocheffizienter Cross-Flow-Technologie sind die moderne Variante des traditionellen Sandfiltersystems. Das Vortisand-System ist ein Schichtfilter hoher Kapazität, der die Cross-Flow-Dynamik mit Mikrosand kombiniert, um eine effektive Filtration im Submikronbereich zu erzielen. Mithilfe dieser Technologie kann die Anlage Filtrationsraten erzielen, die bis zu 5-mal höher sind als bei herkömmlichen Schichtfiltern, wobei 10 bis 50 Mal kleinere Partikel gefiltert werden. Das Wasser aus den Kühltürmen zieht luftgetragene Verunreinigungen kontinuierlich an und absorbiert diese. Typischerweise sind 85 % der Schwebstoffe in gekühltem Wasser und Warmwasserkreisen kleiner als 5 Mikrometer. Studien haben gezeigt, dass diese Feinpartikel (mit einer Größe von bis zu 5 Mikrometern) für das Fouling von Kühltürmen und Wärmetauschern verantwortlich sind und dadurch die Leistung des Kühlsystems beeinträchtigen. Bakterien, wie etwa Legionellen, tragen ebenfalls zu diesem Phänomen bei.
Das Vortisand-System benötigt typischerweise 3-5 % des Kühlturmstroms oder eine Umwälzrate von 7-12 je nach Standort. Standard-Sandfilter und Zyklonabscheider benötigen für gewöhnlich 10-30 % des Kühlturmstroms. Durch seine Fähigkeit Feinpartikel zu entfernen, eignet sich der Vortisand-Filter hervorragend zur Vorbehandlung für UV-Anwendungen. In Kombination mit einem UV-System kann ein hocheffizienter Schichtfilter Verunreinigungen entfernen, bevor sie sich in höheren Betriebskosten niederschlagen.
ZUSAMMENFASSUNG
Hocheffiziente Schichtfilter und UV-Desinfektionssysteme sind in der Lage, moderne Kühlkreisläufe vollständig zu filtern und das gesamte Wassersystem mehrmals pro Stunde zu desinfizieren. Serverfarmen sind nur eine von vielen Anwendungen, in denen eine Hochleistungsfiltration kritisch für einen optimalen ROI ist. Ein effizienter, sauberer Kühlturm bringt zahlreiche Vorteile mit sich: ein saubereres HLK-System, niedrigere Wartungskosten sowie einen effizienteren Betrieb. Industrieanwendungen können ebenfalls profitieren: Sauberes Kühlwasser verbessert die Produktion und Qualität.
Quellen
