Kühlturm
Die bekannte Wirkungsweise der auf dem Verdampfungsprinzip arbeitenden, sogenannten Nasskühltürme besteht im wesentlichen darin, dass das Wasser über eine möglichst grosse Kontaktfläche mit der durch den Turm strömenden Luft in Berührung kommt - wobei der Luftstrom entweder in natürlichem Zug entsteht oder mit Ventilatoren erzeugt wird - und als Ergebnis des Wärmeaustausches durch Konvektion und überwiegend durch Verdampfung, das Wasser abgekühlt wird.
Um eine möglichst grosse Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft zu erzielen, verwendet man sogenannte Einbauten, auf welchen das Wasser in Filmform fliesst, oder mit Hilfe von Spritzeinrichtungen auf winzige Tropfen zerfällt, so dass dann die Tropfenoberflächen den grössten Teil der Kühlfläche ausmachen. Je nach der Richtung des Luftstromes zum herabrieselnden Wasser kann die Berührung zwischen Wasser und Luft in Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom, bzw. in einer Kombination davon erfolgen.
Ein grundsätzliches Problem der Kühlturmkonstruktion ist die richtige Wahl der zur Bildung der genügend grossen Wasseroberfläche dienenden Einbauten. wobei gute Wärmeübertragung, kleiner Luftwiderstand und geringe Kosten die wichtigsten Forderungen sind.
Am Anfang wurden ausschliesslich teure Holzeinbauten verwendet, und erst später ist der Einsatz billigerer Stoffe in den Vordergrund gerückt. Aus Holz liessen sich nur verhältnismässig dicke und in aerodynamischer Hinsicht ungünstige Gerüste herstellen, die nach einiger Zeit dennoch verfaulten und ausgetauscht werden mussten. Die zum Ersatz der Holzeinbauten angewandten Asbestzementplatten wiesen zwar etwas längere Lebensdauer auf, aber die durch den starren Stoff bedingten, erhöhten Plattendicken führten zu schweren und teuren Konstruktionen, und die hohen Gewichte erforderten entsprechend stärkere Tragwerke.
Der Einsatz von Kunststoffen hat der Herstellung haltbarer und leichter Kühlturmeinbauten den Weg bereitet, doch Kunststoffe sind zur Zeit noch ziemlich kostspielig.
Es gibt zweierlei Wege, um die Wirksamkeit von Kühltürmen zu erhöhen, und zwar die einfache Vergrösserung der Kühlflächen und die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten für den nassen Wärmeaustausch. Mit Rücksicht auf den hohen Preis der Kunststoffe sieht sich der Konstrukteur gezwungen, die letztgenannte Lösung zu wählen. Leichtgewichtige, also billige, aber wirksame Einlagen und Spritzeinrichtungen sollen verwendet werden, welche eine recht gute Wasserzerstäubung bewirken, so dass die Tropfenoberflächen einen überwiegend hohen Anteil an der Gesamtkühlfläche haben.
Der Wärmeübergangskoeffizient für den nassen Wärmeaustausch - ähnlich wie der des konvektiven Wärmeaustausches ist um so günstiger, je kürzer die Anströmflächen bei der Berührung zwischen Wasser und Luft sind. Wenn die aufwärts strömende Luft mit von einer langen, ebenen Fläche herabrieselndem Wasser in Berührung kommt, ergibt sich keine günstige Wärmeübertragung. Der Wärmeaustausch ist mit kürzeren Anströmflächen am günstigsten, d.h. im Falle, wo die Berührung zwischen kleinen Wassertröpfchen und Luft erfolgt.
Wenn einmal die Tropfenerzeugung gelöst ist, so kann man eine erhebliche Kühlflächenvergrösserung erreichen, ohne dass dabei zusätzliche Anlagekosten aufgewandt werden müssen.
Neben dem zufriedenstellenden Wärmeübergang sollte man jedoch beachten, dass der luftseitige Widerstand der Einbauten nicht ansteigen darf, da sonst entweder die Leistung des Ventilators oder die Höhe des Turmes erhöht werden muss.
Gute Kühleinbauten bewirken ferner eine gleichmässige Verteilung des zu kühlenden Wassers. Die gleichmässige Verteilung ist sowohl im Hinblick auf den Wärmeaustausch wie auch auf die Eisbildung wichtig. Die Kühlflächen nämlich, die wegen ungleichmässiger Verteilung kein Wasser aufnehmen, beteiligen sich nicht am Wärmeaustauschvorgang, und dadurch vermindert sich der Kühleffekt. An solchen Stellen, wo geringer Wasserstrom und zugleich starker Luftstrom vorhanden sind, besteht die Gefahr der Eisbildung, weil unter diesen Umständen die Wassertemperatur sich der am feuchten Thermometer gemessenen Lufttemperatur nähern kann.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Kühlturm mit Einbauelementen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einbauelemente profiliert und im Kühlturm federnd aufgehängt sind, so dass sie in eine schwingende Bewegung versetzbar sind. Durch die federnde Aufhängung der Einlagen kann eine erhöhte Wasserzerstäubung erreicht werden, und die somit erzeugten Tropfen weisen nur einen geringen Luftwiderstand auf. Die durch den Zerstäubungseffekt der federnden Aufhängung entstehenden Tropfen kleineren Durchmessers führen zur Vergrösserung der effektiven Kühlfläche.
Mit diesen leichten und zweckmässig angeordneten Tropfenbildungseinlagen ist es auch möglich, die Kühlturmkonstruktion bedeutend zu vereinfachen. Tragwerke kleinerer Belastungsfähigkeit sind erforderlich, und das Höhemass des Turmes kann herabgesetzt werden, weil die Einlagen im unteren Eintrittsquerschnitt angebracht werden können.
Die Wasserzerstäubung lässt sich noch verbessern, wenn die unteren Kanten der Einbauelemente mit aneinander anschliessenden, kreisbogenförmig gekrümmten Wellungen versehen sind, so dass Abtropfspitzen entstehen. Ausserdem ist es zweckmässig, wenn die gegen oben gerichtete Fläche jedes Elementes mit einer Tropfenauffangrinne versehen ist.
Zur Begünstigung der Wasserverteilung können die Einbauelemente schliesslich gitterförmig zusammengefasst im Kühlturm angeordnet sein. Die schwingende Bewegung der Einlagen verhindert die örtliche Eiszapfenbildung im Winter; kleine Eiszapfen können nicht anwachsen, weil die Wassermenge durch die schwingende Bewegung von Reihe zu Reihe immer wieder gleichmässig über die Grundfläche verteilt wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, mit Bezug auf die Figuren. in näheren Einzelheiten erläutert.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemässen Kühlturmeinbauelementes.
In Fig. 2a und 2b sind weitere Ausführungsbeispiele dieses Elementes im Querschnitt gezeigt.
Fig. 3 zeigt das aus Elementen zusammengestellte Gitterwerk im Schnitt, und
Fig. 4 dasselbe in Aufsicht.
Die Figuren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e geben einige Beispiele für die federnde Aufhängung der Elemente im Kühlturm.
Fig. 6 zeigt den Schnitt durch eine Kühlturmausführung gemäss der Erfindung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt, während Fig. 7a ein Detail davon - ebenfalls im Schnitt - darstellt.
Fig. 8 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlturmes im Schnitt.
Das in Fig. 1 gezeigte Element ist für eine senkrechte Luftströmung von unten nach oben ausgebildet. Es ist zweckmässig aus Kunststoff verfertigt. Ein ähnliches Element gemäss Fig. 2a ist für eine seitliche Anströmung gedacht, und dementsprechend mit gewölbter Profilierung ausgestattet. Fig. 2b zeigt die Anordnung des Gitterwerkes bei seitlicher Anströmung; die Einlagen sind hier in zwei Ebenen, gegeneinander um 90 verdreht. in der Weise angebracht, dass die Tropfen von der unteren Abtropfkante der oberen Reihe auf die Mitte jedes unten liegenden Elementes, in die in der Fig. 3 gezeigten Tropfenauffangrinne fallen.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Kunststoffeinlagegitter kommen bei senkrechter Luftströmung zum Einsatz.
Für die federnde Aufhängung der Einlagen, wodurch ihre schwingende Bewegung ermöglicht ist, werden in den Figuren 5a. ..5e folgende Ausführungsbeispiele dargestellt:
Befestigung der Einlagen am Turmmantel mit Blattfedern (Fig. 5a), mit Schraubenfedern (Fig. 5b und 5c), mit Hilfe eines elastischen Kunststoffseiles (Fig. 5d und 5e).
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Naturzugkühlturm fällt das Wasser aus dem Verteilerkanal 11 über die Spritzvorrichtungen 12 auf das aus aufgehängten Einlagen 13 bestehende Gitterwerk. Die Figur zeigt drei untereinander angebrachte Einlagereihen, es ist jedoch möglich, nach Bedarf mehrere Reihen anzuwenden. Das Wasser bewegt sich von oben nach unten, und das abgekühlte Wasser wird im Becken 14 aufgefangen.
Fig. 7 gibt ein Beispiel für den Einsatz der erfindungsgemässen Kühleinbauten in einem Ventilatorkühlturm. Hier werden wieder Wasserverteiler, Spritzvorrichtungen, Einlagegitter, Wasserbecken und Tropfenabscheider angewandt. Man ersieht aus der Figur, dass die Einlagen in der Richtung der Luftströmung angebracht sind und wie Strömungsablenkplatten funktionieren. Demzufolge ist es nicht nötig, den Turm - wie sonst üblich - höher zu bauen, und ausserdem wird dadurch der Luftstrom gleichmässiger.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 sind die den Luftstrom erzeugenden Ventilatoren in horizontaler Achsenanordnung im Turmunterteil angebracht. Mit Rücksicht darauf, dass in diesem Fall die Ventilatoren nicht vom Turmmantel getragen werden, kann dieser Turm aus Leichtmetall oder Kunststoff gebaut werden - er nimmt nur das Gewicht der leichten Kunststoffeinbauten auf.