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Was ist eine Wasserkühlung?
Wasserkühlung ist eine Methode zur Wärmeabfuhr von Bauteilen und Industrieanlagen. Wasser kann eine effizientere Wärmeübertragungsflüssigkeit sein, wenn die Luftkühlung unwirksam ist. In den meisten besetzten Klimazonen bietet Wasser die Wärmeleitfähigkeitsvorteile einer Flüssigkeit mit ungewöhnlich hoher spezifischer Wärmekapazität und der Möglichkeit der Verdunstungskühlung. Niedrige Kosten ermöglichen oft die Zurückweisung als Abfall nach einmaligem Gebrauch, aber das Recycling von Kühlmittelkreisläufen kann unter Druck gesetzt werden, um Verdunstungsverluste zu vermeiden und eine größere Tragbarkeit und verbesserte Sauberkeit zu bieten. Das drucklose Recycling von Kühlmittelkreisläufen unter Verwendung von Verdunstungskühlung erfordert ein Abblasen des Abfallstroms, um durch Verdunstung konzentrierte Verunreinigungen zu entfernen. Zu den Nachteilen von Wasserkühlungssystemen zählen beschleunigte Korrosions- und Wartungsanforderungen, um die Verringerung der Wärmeübertragung durch Biobewuchs oder Kesselsteinbildung zu verhindern. Chemische Zusätze zur Verringerung dieser Nachteile können das Abwasser toxisch machen. Die Wasserkühlung wird üblicherweise zur Kühlung von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen und großen Industrieanlagen wie Kern- und Dampfkraftwerken, Wasserkraftwerken, Erdölraffinerien und Chemieanlagen eingesetzt. Andere Anwendungen umfassen das Kühlen der Läufe von Maschinengewehren, das Kühlen von Schmieröl in Pumpen; zum Kühlen in Wärmetauschern; Kühlen von Produkten aus Tanks oder Kolonnen; Zur Kühlung von Klimaanlagen in Kühlgeräten und in jüngster Zeit zur Kühlung verschiedener Hauptkomponenten in High-End-PCs wie CPUs, GPUs und Motherboards. Der Hauptmechanismus für die Wasserkühlung ist die konvektive Wärmeübertragung.
Vorteile der Wasserkühlung
Wasser ist billig, ungiftig und über den größten Teil der Erdoberfläche verfügbar. Flüssigkeitskühlung bietet eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luftkühlung. Wasser hat eine ungewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität unter den üblicherweise erhältlichen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, was eine effiziente Wärmeübertragung über Entfernungen mit geringen Massenübertragungsraten ermöglicht. Kühlwasser kann durch ein Umwälzsystem zurückgeführt oder in einem Durchlaufkühlsystem (OTC-System) verwendet werden. Die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers ermöglicht eine effiziente Verdunstungskühlung zur Abfuhr von Abwärme in Kühltürmen oder Kühlteichen. Umlaufsysteme können offen sein, wenn sie auf Verdunstungskühlung angewiesen sind, oder geschlossen sein, wenn die Wärmeabfuhr in Wärmetauschern mit vernachlässigbarem Verdunstungsverlust erfolgt. Ein Wärmetauscher oder Kondensator kann berührungsloses Kühlwasser von einem zu kühlenden Fluid trennen, oder Kontaktkühlwasser kann direkt auf Gegenstände wie Sägeblätter auftreffen, bei denen eine Phasendifferenz eine einfache Trennung ermöglicht. Umweltvorschriften betonen die verringerten Konzentrationen von Abfallprodukten im berührungslosen Kühlwasser.
Schiffe und Boote
Wasser ist ein ideales Kühlmedium für Schiffe, da sie ständig von Wasser umgeben sind, das im Allgemeinen das ganze Jahr über eine niedrige Temperatur aufweist. Systeme, die mit Meerwasser betrieben werden, müssen aus Kupfernickel, Bronze, Titan oder ähnlich korrosionsbeständigen Materialien hergestellt werden. Wasser, das Sedimente enthält, kann Geschwindigkeitsbeschränkungen durch Rohrleitungen erfordern, um Erosion bei hoher Geschwindigkeit oder Verstopfung durch Absetzen bei niedriger Geschwindigkeit zu vermeiden.
Nachteile
Wasser beschleunigt die Korrosion von Metallteilen und ist ein günstiges Medium für das biologische Wachstum. In der natürlichen Wasserversorgung gelöste Mineralien werden durch Verdampfung konzentriert und hinterlassen Ablagerungen, die als Zunder bezeichnet werden. Kühlwasser erfordert häufig die Zugabe von Chemikalien, um Korrosion und isolierende Ablagerungen von Zunder und Biofouling zu minimieren.
Biofouling
Wasser ist eine günstige Umgebung für viele Lebensformen. Die Fließeigenschaften von Kühlwasserrückführungssystemen fördern die Besiedlung durch sessile Organismen, um die zirkulierende Versorgung mit Nahrungsmitteln, Sauerstoff und Nährstoffen zu nutzen. Die Temperaturen können hoch genug werden, um thermophile Populationen zu unterstützen. Biobewuchs an Wärmeaustauschflächen kann die Wärmeübertragungsraten des Kühlsystems verringern, und Biobewuchs an Kühltürmen kann die Strömungsverteilung ändern, um die Verdunstungskühlraten zu verringern. Biobewuchs kann auch unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen erzeugen, die die Korrosionsraten erhöhen. OTC- und offene Umwälzsysteme sind am anfälligsten für Biofouling. Biobewuchs kann durch vorübergehende Veränderungen des Lebensraums gehemmt werden. Temperaturunterschiede können die Bildung thermophiler Populationen in intermittierend betriebenen Einrichtungen behindern, und absichtliche kurzzeitige Temperaturspitzen können periodisch weniger tolerante Populationen töten. Biozide werden üblicherweise zur Bekämpfung von Biofouling eingesetzt, wenn ein dauerhafter Anlagenbetrieb erforderlich ist.
Chemie
Wasser enthält unterschiedliche Mengen an Verunreinigungen durch Kontakt mit der Atmosphäre, dem Boden und den Behältern. Hergestellte Metalle neigen dazu, durch elektrochemische Korrosionsreaktionen zu Erzen zurückzukehren. Wasser kann die Korrosion sowohl als elektrischer Leiter als auch als Lösungsmittel für Metallionen und Sauerstoff beschleunigen. Korrosionsreaktionen verlaufen mit steigender Temperatur schneller. Konservierung von Maschinen in Gegenwart von heißem Wasser h