Direkte Kühlung, Durchlaufkühlsystem

Das Kühlwassersystem wurde in der Anfangszeit der Schiffsdieselmotoren um 1920 als „Durchlaufkühlsystem“ ausgeführt. Es erfolgte dabei eine direkte Kühlung der Motoren mit Seewasser, das von einer am Hauptmotor angehängten Pumpe gefördert wurde.

Indirekte Kühlung, Umlaufkühlsystem

Aufgrund von Erosion-, Korrosions- und Ablagerungsproblemen erfolgte später eine Umstellung auf indirekte Kühlung mit Süßwasser. Diese Kühlung wurde als „Umlaufkühlung“ bezeichnet, da das Süßwasser in einem Umwälzkreislauf zirkulierte und das Süßwasser die Wärme in einem Kühler an das Seewasser abgab.

Anforderungen an das Kühlsystem

Die Anforderungen ergeben sich aus den Wärmequellen (z. B. Hauptdieselmotor, Hilfsdiesel), der Umgebung und dem Maschinenraum (vertikal oder horizontal strukturiert).

Wichtig ist außerdem auf den heutigen Schiffen ein vollautomatischer wirtschaftlicher Betrieb, eine hohe Zuverlässigkeit und eine einfache Bedienbarkeit. Die mit dem Brennstoff zugeführte Energie von Schiffsdieselmotoren wird zu 40 – 50 % in mechanische Energie umgewandelt, es verbleiben ca. 50 – 60 %. Von diesen Verlusten werden etwa jeweils die Hälfte durch die Kühlmedien und mit dem Abgas abgeführt. Diese Energiebilanz wird graphisch dargestellt als Sankey-Diagramm bezeichnet. Die Daten der Wärmequellen liegen relativ frühzeitig fest, mit der Festlegung der Antriebsleistung und des Hauptmotortyps sind vom Hauptmotorhersteller spezifische Angaben verfügbar. Mit der E-Bilanz, Auswahl der Hilfsdieselgeneratoraggregate und Hilfsmaschinen sind die weiteren Abwärmequellen vorgegeben und können überschlägig bestimmt werden.

Seekühlwasserpumpen

Die heute überwiegend eingesetzten Seekühlwassersysteme arbeiten mit Pumpen, die das Seewasser ansaugen, durch die Wärmeübertrager pumpen und anschließend nach außenbords befördern. Der Antrieb der Seekühlwasserpumpen erfolgt in der Regel elektrisch, die dazu notwendige E-Leistung (5 – 15 % E-Bedarf im Seebetrieb) ist in der E-Bilanz zu berücksichtigen und hat Auswirkungen auf die Hilfsdiesel- und die Generatorauslegung. Die Seekühlwasserpumpen sind auf die maximal auftretenden Seewassertemperaturen (entsprechend dem Fahrtgebiet) ausgelegt. Eine gleich große Seekühlwasserpumpe ist als Reserve parallel geschaltet und für den Hafenbetrieb wird häufig eine kleinere (ca. 1/3 Volumenstrom) Hafenseekühlwasserpumpe vorgesehen.

Die Seekühlwasserpumpen saugen das Seewasser aus Seekästen und über Filter an. Es sind verschiedene Seekästen (Tiefsauger und Hochsauger) vorhanden. Normal sind die Tiefsauger in Betrieb, der Hochsauger ist für das Fahren in flachen Gewässern und Flüssen gedacht, um starke Verschmutzungen zu vermeiden. Neben ausreichenden Entlüftungsrohren oder -schlitzen sind Dampf- oder Druckluftleitungen zum Ausblasen im Verschmutzungs- bzw. Vereisungsfall vorhanden. Für Schiffe mit Eisklasse wird von den Klassifikationen das Seekastenvolumen abhängig von der installierten Haupt- und Hilfsdieselleistung vorgeschrieben, die Seewasseraustrittsleitung wird dann als Bypass in den Seekasten zurückgeführt und es sind Dampfanschlüsse vorgeschrieben. In besonderen Fällen wird eine Umlaufkühlung aus den Ballasttanks vorgeschrieben. Zwischen dem Seekasten und der Pumpe sind Filter mit Bypass angeordnet, die während des Betriebes gereinigt werden können.

Die Notwendigkeit dieser Einrichtungen wurde im Eiswinter 1995/96 deutlich, als mehrere Schiffe auf der Elbe wegen ausgefallener Hauptmaschine notankern mussten bzw. Kollisionen verursachten. Die Ursache des Haupt- oder Hilfsdieselausfalls waren zu hohe Süßkühlwassertemperaturen aufgrund von Eisgrus im Seekasten.

Alternativ können auch Verfahren wie Scoop-, Seekasten- oder Außenhautkühlung angewendet werden, die ohne Pumpen arbeiten.

Scoopkühlung

Beim Scoop-Kühlsystem läuft das Seekühlwasser durch Ein- und Austrittsrohre mit sehr großem Querschnitt. Zwischen dem Aus- und Eintrittsrohr befindet sich ein widerstandsarmer Kühler, der bei der Fahrt des Schiffes durchströmt wird. Zur guten Durchströmung werden die Ein- und Austrittsstutzen so geformt, dass am Eintrittsstutzen Überdruck und am Austrittsstutzen Unterdruck entsteht. Der Vorteil des Scoopkühlers liegt im geringeren Elektroenergiebedarf im Seebetrieb, der mit dem Nachteil der Widerstandserhöhung des Schiffes und großem Platz- und Gewichtsbedarfes des Scoopkühlers erkauft wird.

Seekastenkühler

Seekastenkühler sind auf großen Handelsschiffen nahezu unbekannt, obwohl sie auch hier für dezentrale weit entfernte Systeme erhebliche Vorteile bieten. Die Anwendung beschränkt sich bisher auf Binnen- und Küstenmotorschiffe, die über den Seekastenkühler den gesamten Wärmeaustausch des Kühlwassersystems abdecken. Dabei wird ähnlich wie beim Scoop-Kühler keine Seekühlwasserpumpe benötigt. Die Wärme tauschenden Kühler, bisher vorwiegend Röhrenkühler, hängen direkt im Seewasser und werden ähnlich wie beim Scoop-Kühler durch die Fahrt des Schiffes durchströmt. Zur Widerstandsverminderung werden die Kühler innerhalb der Schiffslinien in dafür vorgesehene Kästen installiert, die mit gelochten oder geschlitzten Blechen entsprechend der Schiffskontur abgedeckt sind. Dabei ist es wichtig, dass die obere Wand eine Neigung erhält, um die Strömung von unten nach oben zu unterstützen. Die Strömung des Seewassers durch den Kühler erfolgt von unten nach oben und entsteht durch den Dichteunterschied zwischen dem kalten und sich bei der Wärmeübertragung erwärmenden Seewasser.

Außenhautkühlung und Kombinationen

Ein vielfach auf Fischereischiffen angewendetes Verfahren besteht aus auf der Außenhaut verlegten Rohrleitungen. Diese werden gegen mechanische Beschädigung durch ein Gitter geschützt. Bei dem Taschenkühlsystem werden Rohrleitungen in Taschen, die in die Außenhaut eingefügt sind, verlegt. Durch diese Rohre fließt das Süßwasser, welches vom außen strömenden Seewasser gekühlt wird. Dies entspricht dem Prinzip des Kastenkühlers, jedoch wird kein kompaktes Rohrbündel, sondern flächig verlegte Rohrleitungen verwendet.

Für besonders anspruchsvolle Zwecke werden Außenhautkühler verwendet, die sich in einem speziellen Doppelboden oder in einer doppelten Außenhaut befinden. In dem Zwischenraum werden mäanderförmige Strukturen auf der Außenhaut und/oder der Innenhaut verschweißt, die zur Strömungsführung aber auch zur Flächenvergrößerung nach dem Prinzip der Rippenrohrkühler dienen. Diese Art der Außenhautkühler werden vorwiegend für kleine und mittlere Wasserfahrzeuge verwendet, die auch im extremen Flachwasser-, in Eisgebieten und in stark verschmutzten oder algenreichen Fahrtgebieten operieren. Neben dem Wegfall der Seewasserpumpe hat dieses System nicht den Nachteil einer aufwendigen Reparatur durch Taucher oder Dockung im Fall einer ernsten Störung.

Alle diese Systeme bzw. Verfahren benötigen für das Seekühlwassersystem einen geringeren oder keinen elektrischen Energiebedarf. Die Energie wird von der Hauptmaschine aufgebracht, die aufgrund der Widerstandserhöhung bei gleicher Geschwindigkeit geringfügig mehr Leistung benötigt. Diese Mehrleistung ist jedoch sehr gering, der Nachteil liegt in der schlechten Zugänglichkeit dieser Kühlsysteme im Störfall. Bei der Reparatur sind Taucher notwendig oder es wird eine kostspielige Dockung notwendig.