Von der Atomkraftwerk Springfield bis zu den „Doppel-Dreifach“ der Didcot-Station in England (die bereits abgerissen wurden) sind diese Anlagen für die Form ihrer Kühltürme bekannt. Der formale Begriff dafür ist Hyperboloid, aber die eigentliche Frage ist: Warum sind sie nicht gerade und nehmen die Form eines herkömmlichen Schornsteins an? Der Punkt liegt im Wort „Kühlung“, und das neueste Video von Practical Engineering erklärt es perfekt.
Thermische Kraftwerke können verschiedene Brennstoffe verwenden, aber ihr allgemeines Ziel ist meist dasselbe: Wasser in Dampf zu verwandeln, das dann in eine Reihe von Turbinen eingespritzt/übertragen wird, um Energie zu erzeugen. Hier gehorchen wir den Gesetzen der Thermodynamik (!), und thermische Kraftwerke auch. Dieser gesamte Dampf muss irgendwie gekühlt werden, um den Kreislauf zu wiederholen, und dabei übermäßig viel Energie zu verbrauchen, ergibt keinen Sinn.
Einige Kraftwerke nutzen lokale Gegebenheiten wie Flüsse und Seen (Texas bietet mehrere Beispiele), aber der Rest muss Kühltürme bauen. Es gibt viele Designs mit einem eher „traditionellen“ Profil, aber Grady vom Kanal Practical Engineering hat sich auf das Konzept des Hyperboloid-Kühlturms konzentriert und in seinem Zuhause ein Modell im Maßstab gebaut. Warum hat der Turm „diese“ Form?
(Anm. d. Red.: Untertitel auf Englisch. Nicht ideal, aber man kann es sehen.)
Naturzug-Hyperboloid-Kühlturm: Wie funktioniert er?
Eines der ersten Details ist, dass die Basis des Turms nicht geschlossen ist. Gradys Modell hat mehrere Löcher, und sie sind auch in den echten Versionen leicht zu finden. Kalte Luft strömt in den Turm und kommt mit dem Wasser in Kontakt, aber das reicht nicht: Ein Sprühsystem in Kombination mit einer Materialschicht, die die Oberfläche der Flüssigkeit vergrößert, optimiert den gesamten Prozess.
Hier kommen wir zum komplexesten Teil des Videos. Grady verwendet ein psychrometrisches Diagramm, um etwas zu erklären, an das sich nicht jeder erinnert: Heiße Luft steigt auf... und dasselbe gilt für feuchte Luft. Wenn Temperatur und Druck konstant bleiben, aber die Luftfeuchtigkeit erhöht wird, sinkt ihre Dichte. Die Wassermoleküle (18,01528 g/mol) sind leichter als Stickstoff und Sauerstoff in der Luft (28,96 g/mol, inklusive anderer Gase), was uns in die faszinierende Welt der Wärmeübertragung durch Konvektion führt.
Das heiße Wasser überträgt seine Wärme an die Luft. Gleichzeitig wird es auftriebsfähiger, bewegt sich im Turm nach oben und ermöglicht so den Eintritt frischer Luft an der Basis. Ein Teil des heißen Wassers verdunstet jedoch, entzieht der Flüssigkeit noch mehr Wärme und macht die Luft noch auftriebsfähiger. Das Beeindruckendste ist, dass die Türme diesen Prozess mit einer minimalen Anzahl von Komponenten ermöglichen (Pumpen, Steuerungssysteme usw.). Mit anderen Worten: Die Türme sind im Grunde „Wolkenmaschinen“.
Was die Gründe für das hyperboloide Design betrifft, gibt es mehrere. Erstens ermöglicht eine breite Basis einen größeren Lufteintritt, die „Einschnürung“ in der Mitte beschleunigt den aufsteigenden Strom, und die breite Öffnung im oberen Bereich fördert die Vermischung der warmen, feuchten Luft mit der kalten Außenluft. Der Hauptvorteil ist jedoch strukturell: Vereinfacht gesagt, je größer der Turm, desto besser funktioniert er, aber er benötigt auch dünne Wände, die den Luftstrom optimieren und Kosten sparen. Ein hoher Zylinder mit dünnen Wänden ist schwach (z. B. eine Limonadendose ohne Druck), während die doppelte Krümmung des Hyperboloids die Struktur gegen vertikale Lasten (ihr eigenes Gewicht) und horizontale Lasten (Wind) verstärkt.
Gradys Video endet mit anderen Kühlbeispielen, fügt jedoch hinzu, dass die Einführung des Hyperboloid-Kühlturms in Atomkraftwerken auf dessen Größe zurückzuführen ist: Bei einem Betrieb von durchschnittlich 50 Jahren sind die Einsparungen bei Bau und Betrieb auf lange Sicht erheblich. Darüber hinaus sind sie stabiler, was jede Möglichkeit eines Versagens in einem so empfindlichen System wie dem Kühlsystem eines Kernkraftwerks verringert.
