Kühlturmeinsatz Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlturm- einsatz, der aus länglichen Elementen aufgebaut ist, die von der unteren Fläche einer schrägen Wasservertei- lungsplatte benetzt werden.
Verschiedene Industrie- und Hausklimaanlagen ar beiten mit Kühlwasser, das nach seiner Erwärmung in einem Kühlturm abgekühlt wird, falls seine Wieder verwendung wirtschaftlich ist.
Den überwiegenden Teil der Kühltürme bilden vorläufig die sogenannten nassen Kühltürme. In diesen wird das warm gewordene Kühl wasser mit der Umgebungsluft in intensiven Kontakt gebracht, was zur Folge hat, dass nach der Verdunstung eines Teiles - in der Praxis etwa 1/3o bis 1/5o - des Kühlwassers der zurückbleibende grössta Teil abgekühlt und für Kühlungszwecke wieder verwendbar wird.
Es sind zahlreiche Kühlturmvorrichtungen bekannt, welche die intensive Vermischung der Umgebungsluft mit dem warm gewordenen Kühlwasser zustande bringen. Der wesentlichste Teil dieser Vorrichtungen ist in jedem Fall der sogenannte Kühlturmeinsatz, der aus Holz, Kunststoff, Asbestzement, Glas usw. hergestellt wird und auf dessen Oberfläche der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlwasser und der Luft zustande kommt.
Der Wärmeaustausch vollzieht sich auf den Kühl turmeinsätzen folgelndermassen: Das abzukühlende Kühl wasser wird möglichst gleichmässig verteilt auf die Ober fläche des Einsatzes geleitet und bildet, unter Einwir kung der Schwerkraft abwärts strömend, auf der Ober fläche einen Wasserfilm. Die Kühlluft wird mit Hilfe eines Ventilators oder eines Naturzug-Schlotes neben der benetzten Fläche im Gegen- oderkund Kreuzstrom zum abwärts strömenden Wasser vorbeigeleitet.
Die in der Praxis verbreiteten zahlreichen Kühl turmeinsätze besitzen. folgende Nachteile: 1. Tropfenbildung Im Interesse einer gleichmässigen Benetzung der ganzen Oberfläche des Einsatzes wird das Wasser im allgemeinen mittels entsprechender Düsen zerstäubt auf den Einsatz gesprüht. Da an der Oberfläche des Ein satzes Luft vorbeiströmt, müssen die infolge der Zer- stäubung entstandenen Tröpfchen durch den Luftstrom auf die Oberfläche gelangen; deshalb reisst der Luft strom die kleineren Tropfen unvermeidlich mit.
Um den damit verbundenen Kühlwasserverlust zu eliminieren, stehen die folgenden Anordnungsmöglichkeiten zur Ver fügung, welche jedoch jeweils mit den nachstehend ge schilderten Nachteilen verbunden sind: a) in den Luftstrom werden nach dem Einsatz Trop- fenabscheider eingebaut. Diese arbeiten jedoch nur dann einwandfrei, wenn ihr Luftwiderstand gross ist; sie stei gern also die Leistungsaufnahme der Ventilation bzw., im Falle einer Naturzuganlage, die Höhe des Kühl turmes bedeutend.
b) es gibt solche Anordnungen, wo sich die Düsen und der Oberteil der Einsätze nicht im Luftstrom be finden. Hier ist die Gefahr des Tropfenmitreissens klei ner. Ihr Nachteil besteht aber darin, dass bei dieser Aus bildung ein sehr bedeutender toter Raum entsteht und dass der Oberteil des Einsatzes nicht ausgenützt wird.
Im Zusammenhang mit den erwähnten Ausführun gen soll noch bemerkt werden, dass bei der Kühlwasser- zerstäubung eine bedeutende Arbeit zur überwindung der Oberflächenspannung zu leisten ist und deshalb der Widerstand der besten Zerstäubungsdüsen eine Grössen ordnung von einigen Metern Wassersäule aufweist.
Es kann ferner ein solcher Kühlturmeinsatz aus gebildet werden, auf dessen Oberfläche das Kühlwasser ohne Tropfenbildung gelangt, indem es durch einen dünnen Spalt geleitet wird und so -einen Film bildet. Diese Konstruktion ist jedoch nur zur Benetzung von grossen Platten geeignet. Eine derartige Benetzung der modernen, feineren und komplizierteren Kompaktein- sätze ist technisch schwerfällig.
Die schmalen Spalte neigen ausserdem zur Verstopfung und verlangen deshalb eine sorgfältige Betriebsführung und Wartung, die bei durchschnittlichen Betriebsverhältnissen nicht gesichert werden kann. 2. Anwendung von Flächen, deren in Strömungsrichtung gemessene Dimension gross ist Die in die Richtung der Luftströmung fallende Ab messung der Einsätze, d. h. ihre Tiefe, ist im allgemei nen gross, wobei die Flächen in Tiefenrichtung zusam menhängend oder wenigstens sehr schwach gegliedert sind.
Infolgedessen verdickt sich die der Fläche des Wasserfilms entlang entstehende, durch die Strömung bedingte Grenzschicht des Luftstromes derart, dass die Wärme- und Stoffübertragung abnimmt, wobei die Fläche am Luftaustrittsende des Einsatzes praktisch wertlos ist und der Wärmeübergang von dem rück zukühlenden Wasser zur Kühlluft im ganzen Einsatz bedeutend unter den Werten bleibt, die an seinem, dem Lufteintritt naheliegenden Teil messbar sind.
Aus der Thermodynamik ist längst bekannt, was für günstige Wirkung auf den Wärmeaustausch und natür lich auch auf den Stoffaustausch die Unterbrechung der Grenzschicht, d. h. die Anwendung von in der Strö mungsrichtung kurzen Flächen (in der Grössenordnung von 0,5 bis 1 mm) ausüben. In Kühltürmen wurde bis her diese Erkenntnis jedoch nicht verwendet, weil kein solches Benetzungsverfahren bekannt war, womit die sehr grosse Zahl der nötigen Bänder, Stäbe oder Drähte, gleichmässig hätte benetzt werden können.
Das Unter teilen der Fläche in schmale Streifen, Stäbe oder Drähte erhöht nämlich stark den luftseitigen Widerstand: Die verbessernde Wirkung wird erst durch den gleichzeitig auftretenden, viel grösseren Wärmeaustausch erzielt, dessen Vorbedingung jedoch die gleichmässige und voll ständige Benetzung ist. Bei schlechter, ungleichmässiger oder unvollkommener Benetzung kann das Unterteilen der Fläche den auf den luftseitigen Strömungswiderstand bezogenen Wärmeaustausch sogar verschlechtern.
Endlich ist eine solche Kühlturmkonstruktion be kannt, bei welcher das aus Düsen herausströmende Wasser sich auf der nach unten gerichteten Fläche irgendeiner Platte, einen Film bildend, verteilt. In dieser Konstruktion wird aber das Wasser von der Verteil- fläche durch entsprechend ausgebildete Leitelemente auf den unter der VErteilfläche in grosser Entfernung davon angebrachten Einsatz gespritzt. Der Zweck der Anord nung ist hier bloss,
dass das Wasser auch in solche Teile des Kühlturmes gelangt, wohin die wasserverspritzenden Tellerverteiler das Wasser nicht befördern können. Diese Anordnung schliesst weder die Tropfenbildung aus noch sichert sie die kontinuierliche und gleichmässige Benet zung aller Einsatzteile.
Die Aufgabe des vorgeschlagenen Kühlturmeinsatzes ist es, die Aufteilung des Wassers in Tropfen vollständig zu vermeiden sowie die Benetzung auf solche Weise zu lösen, dass dadurch die Anwendung von in der Strö mungsrichtung kurzen Flächen, z. B. von Bändern, Stä ben oder Drähten, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch ge löst, dass am oberen Ende jedes dem länglichen Elemente, bei der Übergangsstelle jedes Elementes zur Wasser verteilplatte, zum Ableiten des rückzukülenden Wassers von der Wasserverteilplatte zu den länglichen Elementen ein Leitelement angeordnet ist.
Zweckmässigerweise kann zwischen der Wasserverteilplatteund jedem Leitelement ein Spalt vorhanden sein, der kleiner ist als. 3 mm, wobei das Leitelement am länglichen Element anliegt, oder das Leitelement kann an der Wasserverteilplatte anliegen, wobei zwischen dem länglichen Element und dem Leit element ein Spalt, der kleiner ist als 3 mm, vorhan den ist.
Ferner <I>ist</I> es zweckmässig, das Leitelement mit einer dem rückzukühlenden Kühlwasser zugekehrten Leit- fläche zu versehen, die, in Strömungsrichtung des von der Wasserverteilplatte kommenden Kühlwassers ge sehen, eine von der konvexen abweichende Form auf weist.
Wäre nämlich die Leitfläche konvex, so würde das Wasser neben der Leitfläche weiterfliessen, und dibse würde kein einwandfreies Abscheiden sichern.
Endlich ist es vorteilhaft, wenn die Leitfläche unter mindestens 90 an die Wasserverteilplatte und tangential oder unter einem Winkel, der grösser ist als 90 , an das längliche Element angeschlossen wird.
Diese Massnahmen gewährleisten, dass das auf die Leitfläche strömende Wasser in die Richtung des läng lichen Elementes gelenkt wird. Falls der Winkel ein spitzer Winkel ist, wird das Ableiten unsicher, das Was ser fliesst neben der Leitfläche weiter und gelangt nicht auf die Fläche des länglichen Elementes.
Die Einhaltung der vorgeschlagenen Massnahmen gewährleistet einen tropfenfreien kontinuierlichen Wasserfilm, auch im Falle, wenn zwischen dem länglichen Element und der Leitfläche ein Spalt vorhanden ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Er- findungsgegenstandes anhand der Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines vor geschlagenen Kühlturmeinsatzes, Fig. 2 eine pexspektivische Ansicht einer Ausfüh rungsform mit länglichen Elementen mit Kreisquer schnitt in grösserem Massstab, Fig. 3 eine Ausführungsform mit länglichen Elemen ten mit Rechteckquerschnitt,
wo die Leitfläche des Leitelementes zur Wasserverteilplatte schräg angeord net ist, Fig.4 eine Ausführungsform mit länglichen Ele menten mit Rechteckquerschnitt, jedoch mit einem zur Wasserverteilplatte senkrecht angebrachtem Leitelement, Fig. 5 einen Horizontalschnitt gemäss der Linie, A-A in Fig. 3 und Fig. 6 einen Horizontalschnitt gemäss der Linie B -B in Fig. 4.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht beim vorgeschla genen Kühlturmeinsatz die eigentliche Einsatzfläche aus senkrechten oder mit der Vertikale einen Winkel ein schliessenden länglichen Elementen wie Stäben, Drähten oder Bändern 4 mit kreisförmigem, tropfeiförmigem, rechteckigem, ovalen usw.
Querschnitt, die sich an die Wasserverteilplatte 2 von unten unmittelbar oder mit einem sehr kleinen Spalt anschliessen. Das Wasser tritt aus mindestens einer Düse 1 mit geringer Geschwindig- keit aus und gelangt in einem zusammenhängenden, also nicht in Tropfen zerfallenden,
Bündel auf die nach unten gekehrte Fläche der Wasserverteilplatte 2 und bildet daran einen zusammenhängenden Wasserfilm. Die Luft 5 strömt zwischen den Stäben 4 hindurch. An der Über gangsstelle 6 jedes Stabes 4 an die Wasserverteilplatte 2 ist ein Leitelement 13 vorgesehen.
Dieses Element ist entweder an den Stab oder an der Wasserverteilplatte befestigt und bildet auf alle Fälle im Weg des auf der Wasserverteilplatte strömenden Wasserfilms 3 eine Leit fläche 7, auf welche dieser Film stösst, so dass ein Teil des Wassers auf den Stab oder das Band 4 gelenkt wird. Damit die Leitfläche 7 richtig wirkt, darf zwischen der Wasserverteilplatte und dem Leitelement bzw. zwischen dem Leitelement und dem Band kein Spalt sein, der grösser als 3 mm ist.
Im Falle eines grösseren Spaltes scheidet nämlich das Wasser nicht von der Wasserver- teilplatte ab bzw. verspritzt das abgeschiedene Wasser und gelangt nicht tropfenfrei auf die Fläche der abwärts verlaufenden länglichen Elemente 4. Die auf das Band oder den Stab 4 gelenkte Wassermenge umfliesst unter Einwirkung der Oberflächenspannung den Stab 4 und strömt, auf dessen Fläche einen den Stab umschliessen den, zusammenhängenden Wasserfilm bildend, abwärts.
Die Anschlussstelle des Stabes unterbricht den Wasser film 3 nicht, weil unter Einwirkung der Oberflächen spannung der Zusammenhang des Wasserfilms sich wie der herstellt, nachdem er durch die Stange geteilt wurde.
Vom Gesichtspunkt der zuverlässigen Benetzung der Stäbe 4 ist die Ausbildung des Übergangs 6 der Stäbe 4 zu der Wasserverteilplatte 2 von entscheidender Bedeu tung.
Der auf der Wasserverteilplatte 2 strömende Kühl wasserfilm 3 ist nämlich bestrebt, seinen Impuls zu behalten und ist infolgedessen geneigt, die sich an die Wasserverteilplatte 2 von unten anschliessenden Stäbe 4 zu umgehen und Weiterzuströmen und nicht auf die Stäbe 4 zu fliessen.
Um eine vollkommene, gleichmässige und betriebssichere Benetzung der Stäbe 4 zu sichern, wird an der Übergangsstelle 6 jeder der Stäbe 4 zur Wasserverteilplatte 2 eine Leitfläche; 7 ausgebildet. Diese Le'tflächen 7 sind der Zuströmrichtung 12 des Kühlwassers 3 zugekehrt und bilden in Strömungsrich tung 12 des Kühlwassers 3 gesehen konkave Flä chen, welche im Grenzfall eben sein können.
Die Leitflächen 7 liegen, an die Wasserverteilplatte 2 tan- gential an (Fig. 2) oder bilden mit dieser einen stump fen, im Grenzfall einen rechten Winkel B.
Ebenso schlie- ssen sich die Leitflächen 7, aus der Wasserverteilplatte 2 herausragend, entweder tangential an die Stäbe 4 an oder schliessen mit der Längsachse derselben einen stumpfen Winkel 10 ein, der im Grenzfall 90 oder 180 betragen kann. Die Leitfläche 7 leitet demzufolge aus dein auf der Wasserverteilplatte 2 strömenden Kühl wasserfihn 3 eine bestimmte Kühlwassermenge in der Längsrichtung auf den Stab 4.
Die Grösse des Querschnittes der einzelnen Elemente 4 kann mit Hilfe einer Rentabilitätsrechnung unter Be rücksichtigung der Herstel'lungsmate,rialien, der Energie kosten, des Raumaufwandes usw. von Fall zu Fall be rechnet werden.
Die Elemente 4 können also in Grenzfällen massive Stäbe oder haardünne Drähte sein, sie können als Rän der in Form von grossen ebenen Platten oder in Form von zehntelsmillimeter dicken und wenige Millimeter breitem Streifen ausgebildet sein.
Wie aber aus den vor stehenden Ausführungen entnommen werden kann, sind kleine Abmessungen mit wesentlichen Vorteilen ver bunden und dies kann nur durch die Anwendung deis vorgeschlagenen Kühlturmeinsatzes erreicht werden.
F!-. 2 zeigt ein Leitelement 13 in grösserem Mass stab, wobei das längliche Element als Stab 4 mit kreis förmigem Querschnitt ausgebildet ist. Die Leitfläche 7 des Leitelementes 13 ist in Strömungsrichtung gesehen konkav vorgesehen und verläuft :einerseits tangential an die. Wasserverteilplatte 2 und anderseits tangential an den Stab 4.
Fig. 3 zeigt ebenfalls ein Leitelement 13 in grösserem Massstab, wobei das längliche Element 4 als Stab mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist. Die Leitfläche 7 des Leitelemdntes 13 ist eben und schliesst mit der Wasserverteilplatte 2 ,einen stumpfen Winkel 8 ein, wo bei aber noch ein Spalt 9 dazwischen vorhanden ist.
Auch mit der Längsachse des Stabes 4 bildet die Leit fläche 7 einen stumpfen Winkel, mit 10 bezeichnet, aber ohne dass hier ein Spalt zwischen dem Stab 4 und der Leitfläche 7 vorgesehen wäre. Dabei können der Stab 4 und das Leitelement 13 aus einem Stück bestehen oder aber getrennt ausgebildet sein.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Leit- elementes. Der Stab 4 hat wiederum rechteckigen Quer schnitt, die Leitfläche 7 des Leitelementes 13 ist eben und steht unter je einem rechten Winkel zur Wasser verteilplatte 2 und zur Seitenfläche des Stabes 4, wobei ein Spalt 11 zwischen Stab und Leitellement vorhan den ist.
Mit den eben beschriebenen Kühlturmeinsätzen kön nen die folgenden Vorteile erzielt werden: 1. Das Wasser zerfällt nicht in Tropfen, deshalb unterbleibe der Tropfenverlust und sämtliche damit verbundenen Nachteile.
2. Die verwendeten Düsen dienen nur dem Zweck, einen einige Zentimeter langen, annähernd horizontalen Wasserstrahl zu erzeugen, deshalb kann in diesen Düsen die Geschwindigkeit des Wassers gering sein. Dieser Umstand ermöglicht die Anwendung eines weiten Quer schnittes, was die Gefahr der Verstopfung weitgehend beseitigt und nur eine kleine Pumpenarbeit erfordert.
3. Die bedeutendste Wirkung des vorgeschlagenen Kühlturmeinsatzes besteht darin, dass die beschriebene Weise der Wasserverteilung die Anwendung schmaler benetzter Flächen ermöglicht, die als Bänder, Stäbe oder Drähte ausgebildet sein können. Zwecks Veranschau lichung der sich aus der Unterbrechung der Grenzschicht ergebenden thermischen Vorteile soll erwähnt werden, dass es auf die beschriebene Weise gelungen ist, einen solchen Einsatz zu konstruieren, dessen Volumen, die gleiche Kühlleistung und Ventilationsleistung voraus gesetzt,
annähernd zehnmal kleiner ist als das Volumen der gegenwärtig im Betrieb stehenden Kühlturmeinsätze.