Wasserkühlung

  Als Wasserkühlung (allgemeiner: Flüssigkeitskühlung) wird ein Kühlsystem bezeichnet, bei dem das primär wärmeabführende Kühlmittel Wasser ist. Eine Wasserkühlung kann für die Kühlung eines Motors, eines Rührkessels, eines Hochofens, einer Klimaanlage, eines Getränkekühlers, einer Senderendstufe, eines Stromrichters, eines Computers (PC-Wasserkühlung) etc. mittels stehendem Wasser oder eines anliegenden oder durchlaufenden Wasserkreislaufes, angewandt werden.

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Wasserkühlung in Kraftwerken

Die Wasserkühlung in kalorischen Kraftwerken bedient sich eines geschlossenen Kühlkreislaufs. Meist unter der Turbine wird der Dampf im Kondensator mit Hilfe von Wasser, welches aus einem nahegelegenen Gewässer entnommen wird, wieder zur Kondensation gebracht. Ist das dem Fluss entnommene Wasser nach der Kühlung für eine Einleitung in das Gewässer zu warm, so wird es in einem Kühlturm auf die nötige Temperatur herabgekühlt. Manche Reaktortypen, wie der Druckwasserreaktor, besitzen zwei geschlossene Kühlkreisläufe. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass im Bereich der Turbine im Regelfall keine radioaktiven Substanzen auftreten. Kühlwasser, das in einem Kernreaktor verwendet wird, muss frei von neutronenabsorbierenden Substanzen wie Bor und Cadmium sein.

Bei den Wellen von Großgeneratoren werden die in den beiden Gleitlagern entstehenden Wärmeverluste durch Zufuhr von ca. 10-20 °C kaltem Wasser umspült bzw. das Lageröl abgekühlt um so die Lagertemperatur auf rund 50 bis 55 °C konstant zu halten. Zirka 25 Liter/s und Maschine sind ein unterer Richtwert für eine 20-MVA-Maschine bei 600 1/min und natürlich abhängig von der Maschinenleistung. Die Wassermengen für die Lagerkühlung sind ungleich weniger, als es kalorische Kraftwerke zur Dampfkondensation benötigen.

Einsatz in Verbrennungsmotoren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

Moderne Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen wassergekühlt. Die Wasserkühlung bietet gegenüber der Luftkühlung verschiedene Vorteile. Wasser gewährleistet einen gleichmäßigen Wärmetransport und kann eine große Wärmemenge abführen. Für die Kühlung wird kaum Leistung (Hilfsenergie) benötigt, gegenüber Kühlgebläsen bei der Luftkühlung; ganz ohne Hilfsenergie kann eine Flüssigkeits-Kühlung auskommen, wenn die Thermosyphon-Wirkung einen ausreichenden Umlauf des Kühlmediums sicherstellt. Eine Gestaltung der Heizung ist denkbar einfach durch einen Heizungswärmeübertrager möglich. Die Motorblockgestaltung und damit die notwendigen Gussformen sind leicht herzustellen. Die Wasserkühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile und damit den möglichen Verzug gering. Dies wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Der Wassermantel wirkt zudem geräuschdämmend. Insbesondere hoch verdichtende Ottomotoren sind im Bereich der Zylinderköpfe auf Wasserkühlung angewiesen, da es sonst vermehrt durch die Kompressionswärme zu unerwünschter Selbstentzündung und damit zu einer Klopfneigung käme. Durch die hohe Wärmetransportfähigkeit von Wasser können die Motoren kompakter gebaut werden. Um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu erhöhen, wird das Kühlsystem meistens mit Überdruck betrieben.

Die Wasserkühlung hat auch verschiedene Nachteile. Bei großer Kälte kann das Kühlmittel einfrieren; es dehnt sich dann aus und kann den Motorblock zum Platzen bringen. Durch zusätzliche Fehlermöglichkeiten, wie undichter Kühlkreislauf, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Thermostat usw. sinkt die Zuverlässigkeit.

Bei Verbrennungsmotoren in Schiffen und auf Booten bietet sich das Umgebungwasser als Kühlmittel an.

Wasserkühlung bei elektronischen Geräten

Seit 1930 werden die röhrenbestückten Endstufen von Hochleistungssendern mit Wasser gekühlt. Da hierbei hohe elektrische Spannungen zum Einsatz kommen, kann nur destilliertes deionisiertes Wasser zum Einsatz kommen. Dieses gibt in einem Wärmeübertrager seine Wärme an einem zweiten Kreislauf ab, in dem das Wasser keinen besonderen Reinheitsanforderungen genügen muss, da es mit keinen spannungsführenden Komponenten in Kontakt kommt.

Bei Hochleistungsröhren wird die Siedekondensationskühlung angewandt. Bei dieser Technik sind Dampferzeugung und Kondensation räumlich nicht voneinander getrennt. Das Kühlmittel durchfließt den Kühlkanal, der mit zur Anodeninnenseite hin orientierten Nuten ausgestattet ist. Der in diesen Nuten entstehende Dampf gerät in den Hauptkühlkanal, wo er verwirbelt wird und wieder kondensiert. Da sich dieser Vorgang bei Temperaturen von über 100 °C abspielt, und den Aggregatzustand flüssig zu gasförmig nutzt, können mit diesem Kühlverfahren auf Grund der dafür notwendigen Verdampfungswärme auch bei relativ kleinen Röhren große Wärmemengen abgeführt werden.

Moderne, halbleiterbestückte Sender haben keine Wasserkühlung mehr.

Wasserkühlung wird auch in der Leistungselektronik angewandt. Zum Beispiel für Stromrichter in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung oder für Traktionsstromrichter in Schienenfahrzeugen.

Wasserkühlung in Personal Computern

Hauptartikel: PC-Wasserkühlung

Wasserkühlungen werden auch in modernen PC-Systemen zur leisen und effektiven Kühlung einzelner Komponenten eingesetzt. Dabei wird am häufigsten der Hauptprozessor gekühlt. Weitere Komponenten, die in den Kühlkreislauf eingebunden werden können, sind Grafikkarten, Hauptplatinen­chipsätze, Festplatten, Netzteile, Spannungswandler und auch RAM-Bausteine.

Wasserkühlungen für PCs sind in PC-Moddingkreisen sehr verbreitet. Mittlerweile ist ein großer Markt um Wasserkühlungen entstanden.

Die Vorteile einer Wasserkühlung sind zum einen die effektive Kühlung der Hardware mit für Modder und Overclocker wichtigem Übertaktungsspielraum der CPU durch verbesserte Wärmeabfuhr. Zum anderen arbeitet die Kühlung fast lautlos, da auf dem Radiator (Wärmeübertrager) große, langsam drehende Lüfter eingesetzt oder auch passive Radiatoren ohne Lüfter verwendet werden können. Außerdem erhöht sich in der Regel die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der mit Wasser gekühlten Komponenten. Je nach verwendeter Pumpe kann die Wasserkühlung eine der stromsparendsten Kühlungsmethoden sein.

Nachteilig ist der erheblich größere Installationsaufwand, die vergleichsweise hohen Kosten und der Wartungsbedarf. Häufig führt der Verzicht auf den Einsatz von Gehäuselüftern dazu, dass einzelne Komponenten überhitzen, die nicht in den Kühlkreislauf einbezogen werden können. Je nach Anzahl der verbauten Komponenten kann ein grösserer Platzbedarf im Gehäuse erforderlich sein.

Reines destilliertes Wasser besitzt verglichen mit allen anderen natürlichen Stoffen, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, den höchsten Wärmeleitkoeffizienten und ist daher erste Wahl beim Bau einer Flüssigkühlung.

Siehe auch

• Rückflusskühler
• Verdampfungskühlung
• Thermosyphonkühlung