AlsWasserkühlung wird ein Kühlsystem bezeichnet, bei dem das primär wärmeabführendeKühlmittelWasser ist. Eine Wasserkühlung kann beispielsweise für dieKühlung einesMotors, einesKraftwerks, einesStromrichters, einesComputers (PC-Wasserkühlung) etc. mittels stehendem Wasser oder eines anliegenden oder durchlaufenden Wasserkreislaufes, angewandt werden.
Je nach Einsatzgegebenheiten werden anstatt Wasser auch andere Flüssigkeiten zur Kühlung verwendet:
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Für die Wasserkühlung in modernenkalorischen Kraftwerken sind häufig zwei getrennteKühlkreisläufe vorhanden. Dies sind der meist offene Hauptkühlkreislauf (auch „Sekundärkreislauf“) und der in der Regel geschlossene Nebenkühlwasserkreislauf (auch „Primärkreislauf“).
Beispiel: In einem Kohlekraftwerk verdampft die Kohleverbrennung imKessel das Wasser des Primärkreislaufs, was dessen spezifisches Volumen stark erhöht. Der heiße und unter Druck stehende Dampf wird dann auf eineDampfturbine geleitet, in der sich der Dampf entspannt und abkühlt. Hinter den Turbinen wird dem Dampf bei geringem Druck und niedriger Temperatur in einem Wärmetauscher („Kondensator“) noch so viel Wärmeenergie entzogen, dass er wieder kondensiert (flüssig wird). Dabei reduziert sich das spezifische Volumen; das Wasser wird wieder in den Kessel gepumpt, den Druckunterschied überwindet dieSpeisewasserpumpe.Im Kondensator wird der Primärkreislauf-Dampf mit Wasser gekühlt, welches aus einem nahegelegenen Gewässer – Fluss, See oder Meer, seltener Grundwasser – entnommen wird. Ist das entnommene Kühlwasser nach dem Kühlen des Primärkreislaufs für eine Rückleitung in das Gewässer zu warm, so wird es in einemKühlturm auf die nötige Temperatur herabgekühlt. Derartige Kühltürme sind weit verbreitet.
Zwei Kühlkreisläufe ermöglichen, dass im geschlossenen Primärwasserkreislauf Korrosionsschutzmittel enthalten oder es vollentsalzt sein kann, wohingegen die Zusatzwässer des Hauptkühlwassersystems höchstens entkarbonisiert werden.
MancheAtomkraftwerkstypen, wie derDruckwasserreaktor, haben dazwischen einen weiteren geschlossenen Kreislauf. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass im zweiten Kreis zwischen Dampferzeuger und Turbine im Regelfall keine radioaktiven Substanzen auftreten. Das Wasser im Primärkreislauf eines Kernreaktors muss frei vonneutronenabsorbierenden Substanzen wieBor undCadmium sein.
Bei denWellen vonGeneratoren werden die in den beidenGleitlagern 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.BeiGroßgeneratoren mit beispielsweise 1200 MW Leistung können sowohl der Generator-Läufer wie auch der Generatorständer mit Wasser gekühlt werden. Die erforderlichen Kühlwassermengen betragen bei voller Last für den Läufer ca. 120 m³/h und für den Ständer ca. 25 m³/h.
Viertaktmotoren und Diesel-Zweitaktmotoren in Schiffen 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 dieThermosiphon-Wirkung einen ausreichenden Umlauf des Kühlmediums sicherstellt. Die Abzweigung von Wärme zu Heizzwecken 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 vonVerbrennungsmotoren zu erhöhen. Der Wassermantel wirkt zudem geräuschdämmend. Insbesondere hoch verdichtende Ottomotoren sind im Bereich derZylinderköpfe auf Wasserkühlung angewiesen, da es sonst vermehrt durch dieKompressionswärme zu unerwünschter Selbstentzündung und damit zu einerKlopfneigung käme. Durch die hoheWärmekapazität von Wasser können die Motoren kompakter gebaut werden. Um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu erhöhen, wird das Kühlsystem meistens im Überdruck betrieben.
Die Wasserkühlung hat auch verschiedene Nachteile: Bei großer Kälte kann das Kühlmittel einfrieren; es dehnt sich dann aus und kann den Kühler oder sogar den Motorblock zum Platzen bringen. Durch zusätzliche Fehlerquellen wie Undichtigkeiten, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Thermostat usw. sinkt die Zuverlässigkeit und steigt der Wartungsaufwand.
Bei Verbrennungsmotoren in Wasserfahrzeugen wird oft dasFahrwasser als Kühlmittel verwendet.
Seit 1930 werden dieröhrenbestückten Endstufen vonSendern hoher Leistung mit Wasser gekühlt. Da hierbei hohe elektrische Spannungen auftreten, kann nur destilliertes oder zumindest deionisiertes Wasser zum Einsatz kommen, da es nur eine sehr geringeelektrische Leitfähigkeit hat. 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 die Änderung des Aggregatzustands von flüssig zu gasförmig genutzt wird, können mit diesem Kühlverfahren wegen der für die Verdampfung notwendigenVerdampfungsenthalpie auch bei relativ kleinen Röhren große Wärmemengen abgeführt werden.
Wasserkühlung wird auch in derLeistungselektronik angewandt, zum Beispiel an Sendeanlagen oder Stromrichtern (zum BeispielTraktionsstromrichter in Schienenfahrzeugen). Kleinere halbleiterbestückte Sender haben keine Wasserkühlung.In neueren Sendern wird bei größerer Leistung ab ca. 1 kW von einigen Herstellern die Wasserkühlung eingesetzt.
Großtransformatoren undRöntgengeräte werden mitÖl gekühlt.
Stromrichter in Anlagen zurHGÜ haben oft Wasserkühlung. Bei den früher verwendeten Quecksilberdampfventilen war diese im Regelfall für die Kühlung der Kathode nötig, bei halbleiterbestückten Anlagen ist eine reine Luftkühlung möglich, wird aber kaum verwendet. Es wurden auch derartige Anlagen mit ölgekühlten Stromrichterventilen wie dieHGÜ Wolgograd-Donbass und dieHGÜ Cahora Bassa realisiert, allerdings hat sich diese Technik nicht durchgesetzt.
BeiHybridfahrzeugen gibt es manchmal zwei getrennte Wasserkühlkreisläufe: einer für den Verbrennungsmotor sowie einen weiteren für dieVierquadrantensteller, die die Elektromotoren steuern, sowie ggf. für Elektronikkomponenten, die den beimrekuperativen Bremsen von den als Generatoren arbeitenden Motoren erzeugten Strom für dieAntriebsbatterie regeln.
Wasserkühlungen werden auch in modernenPC-Systemen zur leisen und effizienten Kühlung einzelner Komponenten eingesetzt. Dabei wird am häufigsten derHauptprozessor gekühlt. Weitere Komponenten, die in den Kühlkreislauf eingebunden werden können, sindGrafikkarten,Hauptplatinenchipsätze,Festplatten,Netzteile,Spannungswandler und auchRAM-Bausteine.
Wasserkühlungen für PCs sind inPC-Moddingkreisen sehr verbreitet. Mittlerweile ist ein großer Markt um Wasserkühlungen entstanden.
Die Vorteile einer Wasserkühlung sind zum einen die effektive Kühlung derHardware mit fürModder undOverclocker wichtigemÜbertaktungs-Spielraum der CPU durch verbesserte Wärmeabfuhr. Zum anderen arbeitet die Kühlung fast lautlos, da auf demRadiator (Wärmeübertrager) große, langsam drehende Lüfter eingesetzt oder auch passive Radiatoren ohneLüfter 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 – bei nicht sachgerechter Installation – der Wartungsbedarf. Häufig führt der Verzicht auf den Einsatz von Gehäuselüftern dazu, dass einzelne Komponenten überhitzen, da sie nicht im Kühlkreislauf einbezogen sind. Je nach Anzahl der verbauten Komponenten kann ein größerer Platzbedarf im Gehäuse erforderlich sein.
Wasser besitzt, verglichen mit anderen in Frage kommenden Flüssigkeiten, die höchste Wärmekapazität und ist daher erste Wahl beim Bau einer Umlauf-Flüssigkeitskühlung. Um möglicheKorrosionsprobleme bei der üblichen Mischmetall-Installation zu vermeiden, kann handelsübliches Frostschutzmittel aus dem Kfz-Zubehör verwendet werden.
Unter anderem dieGasentladungslampen für die Anregung vonFestkörperlasern werden wassergekühlt. Sie befinden sich zusammen mit demLaserstab direkt im deionisierten Kühlwasser.
Auch Hochleistungs-Diodenlaser sind oft wassergekühlt. Man unterscheidet hier zwischen aktiver und passiver Kühlung:
Kohlendioxidlaser hoher Leistung und deren Spiegel sind ebenfalls oft wassergekühlt:
Als Beispiele seien hier noch einige Anwendungen von Wasserkühlung genannt:Destillation,Hochofen, Labor-Thermostate, Hochleistungs-Elektromotoren,Plasmastrahl-Düsen, alteMaschinengewehre,Lichtmaschinen bei Kraftfahrzeugen