Kissen - Platten - Wärmetauscher in Wasserkraftwerken 

Die Abfuhr der Verlustleistungen von Generator, Turbinen- und Generatorlager, Transformatoren, Nebenanlagen sowie die Klimatisierung von Kraftwerks- und Rechnerräumen, werden immer häufiger aus ökologischem und ökonomischem Blickwinkel betrachtet. Zudem fordert der Umweltschutz entsprechende Massnahmen und der Markt immer angestrengtere Wirkungsgrade. Die Konzeption aktueller und zukünftiger Wärmeabfuhrsysteme erfolgt deshalb vermehrt über Zwischenkreislaufsysteme.

Andere Kühlsysteme erfordern Durchlaufkühlwasser, welches durch Abfluss ins Unterwasser verloren geht. Obwohl die Systeminvestitionen moderat sind, schlagen hier jedoch die Kosten aus dem meist hohen Wasserverbrauch (Quell-, Brunnen- oder Triebwasser), der Pumpleistung auf das Anlagendruckniveau (z.B. Hochbehälter ) sowie der nicht immer einfach zu erfolgenden Reinigung der Kühlanlage (Filter, Wärmetauscher, Rohrleitung) zu Buche.

Zwischenkreislauf-Kühlsysteme brauchen kein durchlaufendes Frischwasser. Bei diesen Kühlsystemen fallen Investitionskosten für die erforderlichen Zwischenkreislaufkomponenten (Primär-WT, Sekundär-WT und Kreislaufpumpengruppe) sowie die laufenden, aber vergleichsweise bescheidenen Energiekosten der Kreislaufpumpe (nur Überwindung der Strömungsverluste) an. Durch die Wahl eines geeigneten Sekundär-Wärmetauschers, angeordnet im Unterwasserkanal der Turbinen, können wichtige Vorteile des nachfolgend beschriebenen Wärmetauschertyps genutzt werden. Die wesentlichen Vorzüge sind exakte, thermodynamische Übertragungswerte, die Einhaltung von moderaten Druckverlusten (kleine Antriebsleistung der Pumpengruppe) sowie die einfache Reinigung der Plattenaussenseiten.

Gesicherte Übertragungswerte für Kissen-Platten als Sekundärwärmetauscher im Unterwasser

Anstelle von frei angeströmten Rohrschlangen oder reinen Flächenkühlern, haben wir den Kissen-Platten-Typ untersucht, da er Vorteile gegenüber beiden Typen aufweist. Soweit uns bekannt, sind bis jetzt für diesen Plattentyp keine durch Messungen abgesicherte, thermo-dynamischen Übertragungswerte für diese Anwendung vorhanden. Durch die Zusammenarbeit mit der TIWAG-Tiroler Wasserkraft AG haben wir, mit einem Testwärmetauscher im Unterwasser eines Kraftwerkes, in umfangreichen Messreihen belastbare Ergebnisse ermittelt. Ab sofort sind wir in der Lage, Kissen-Platten-Wärmetauscher für die Anwendung Wasser/Wasser oder Wasser/Wasser-Glykolmischungen auf der Basis dieser Messdaten auszulegen. Für die Auslegung und das Design, können wir die Bedingungen des Kraftwerksbetreibers, respektive der örtlichen, geometrischen Verhältnisse fast beliebig erfüllen. Dies gilt für Nachrüstung als auch für Neubauprojekte.

Das Kissen-Platten-Bündel wird in Strömungsrichtung eingebaut. Um ähnliche Übertragungswerte mit einer Rohrschlangenkonstruktion zu erzielen, müsste diese Rohrschlange quer zur Strömung angeordnet werden. Diese Anordnung ergibt vergleichsweise einen höheren Widerstand im Unterwasserkanal und somit eine reduzierte, verfügbare Druckhöhe der Turbine.

Unsere Auswertungen decken die Geschwindigkeitsbereiche in und um die Platten von 0 m/s bis zu mehr oder weniger effizienten 1.5 m/s ab, welche vor allem thermodynamisch relevant sind. Die Auslegung erfolgt mit unserem Berechnungsprogramm. Die daraus berechneten thermodynamischen Daten wurden mit den Messresultaten kalibriert, um reale K-Werte sowie echte Druckverluste in den Platten ermitteln zu können. Unser massgeschneidertes Design richtet sich nach den Gesichtspunkten des rauen Unterwasserbetriebes. Als Materialien verwenden wir ausnahmslos Edelstähle der Klassen V2A oder V4A.

Wirtschaftliche Betrachtungen zum Einsatz eines Kissen-Platten-Wärmetauschers

Meist lösen zwei Tatsachen die Überlegung zur Optimierung der Anlagenkühlung aus.

Einerseits ist Wasser ein wertvoller Hilfsstoff, der auch in Wasserkraftwerken begrenzt zur Verfügung steht und vornehmlich zur Energieproduktion verwendet wird, andererseits die Maximierung der Anlagenverfügbarkeit bei minimalen Instandhaltungs- und Wartungsaufwand. Beides kann durch den Einsatz eines Wärmeaustauschers zur Verlustwärmeauskopplung erreicht werden. Die anfallende Abwärme wird über die Oberfläche des Wärmetauschers ohne Wasserverbrauch an das Triebwasser abgeführt, womit nicht nur Wasser, sondern auch Pumpenenergie gespart wird.

Kühlwasser, welches sich im Kühlkreis befindet, muss im Kreis gefördert jedoch nicht gefiltert und nicht auf den passenden Druck gebracht werden. Durch die Form des Wärmetauschers besteht eine weitaus geringere Gefahr der Verschmutzung, verglichen mit anderen Wärmetauschertypen. Zudem ist der Reinigungsvorgang bedeutend einfacher und schneller erledigt. Die Reinigung zwischen den Platten kann in einer Stillstandsphase des Kraftwerkes durch Hochdruckstrahler ohne Demontage komfortabel erfolgen.

Des Weiteren treten auf Grund der Form des Apparates nur geringe hydraulische Verluste auf, die aus dem Anströmen der Stirnseite sowie dem Strömen entlang der Platten resultieren und vergleichsweise klein sind. Durch die fertigungsbedingte Kissenform wird ein respektabler Wärmeübergang erreicht und daraus abgeleitet ein kleines Apparatevolumen, verglichen mit anderen Bauformen, sichergestellt.

Letzten Endes bringt der Aufbau des Wärmeüberträgers eine minimierte Zahl von Dichtungsstellen mit sich, da die einzelnen Bauteile miteinander verschweisst sind und der Innenraum somit hermetisch verschlossen ist. Bei der richtigen Auslegung ist der Kissenplatten-Wärmetauscher damit ein effizienter und betriebsfreundlicher Bestandteil eines Kraftwerkes für Jahrzehnte.

Dieser Wärmetauschertyp bringt den weiteren Vorteil, dass er bis zu 20% preisgünstiger hergestellt werden kann, als ein entsprechender Rohrschlangentyp. Die Herstellung dieser Kissen-Platten-Wärmetauscher erfolgt bei einem spezialisierten Hersteller in der EU.

Die Messreihe mit dem Testwärmetauscher sowie dieser Bericht wurde mit der freundlichen Unterstützung der TIWAG -Tiroler Wasserkraft AG ermöglicht, unter der Leitung von Herrn Dipl. -Ing. (FH) Günter Laber.