Die Erfindung betrifft einen Kühlturm mit einem in einem Wärmeaustauschraum untergebrachten Flüssigkeitsverteiler und mindestens einem durch die Flüssigkeit angetriebenen Ventilator, der ein gasförmiges Medium, z. B. Luft, durch den Wärmeaustauschraum fördert. Solche Kühltürme finden einen grossen Anwendungsbereich insbesondere bei thermischen Kraftwerken, bei denen nukleare oder fossile Brennstoffe verwendet werden, sowie bei Ölraffinerien und chemischen Fabriken.
Bei solchen Kühltürmen wird in der Regel Wasser dadurch gekühlt, dass es durch einen feststehenden Flüssigkeitsverteiler im Inneren des Kühlturms versprüht wird, worauf es dann in Tröpfchenform unter dem Einfluss der Schwerkraft im Wärmeaustauschraum nach unten fällt und auf seinem Weg Wärme auf die im Gegenstrom oder Querstrom fliessende Luft abgibt, bzw. teilweise verdampft und so dem verbleibenden Wasser Wärme entzieht. Für die Kühlwirkung ist dabei die Kühllufttemperatur und -menge, die Grösse der Tröpfchen und die von diesen zurückgelegte Weglänge von besonderer Bedeutung.
Die meisten Kühltürme werden heute mit einer Luftumwälzvorrichtung, z. B. einem Ventilator, versehen, weil dadurch die Kühlluftzufuhr verbessert wird, was wiederum gestattet, die Kühltürme bedeutend kleiner und weniger kostspielig zu konstruieren als die sogenannten Naturzug-Kühltürme, bei denen die Luftbewegung vom natürlichen Kaminzug abhängt. Kühltürme mit Luftumwälzvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass für den Betrieb dieser Luftumwälzvorrichtungen ein erheblicher Energiekonsum in Kauf genommen werden muss. So wird beispielsweise für den Antriebsmotor für den Ventilator eines Kühlturmes für ein Kraftwerk für je 100 000 Kilowatt Leistung eine Anschlussleistung von etwa 700 Kilowatt benötigt.
Es ist bereits vorgeschlagen worden (DT-AS 1 111 220), das im Kühlturm versprühte Wasser relativ weit oben im Wärmeaustauschraum zum Teil wieder aufzufangen und dann das Gefälle bis zum Fuss des Kühlturmes auszunützen, um eine dort angeordnete Turbine anzutreiben, die auf der gleichen Welle sitzt wie der Ventilator. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass damit ein Teil des Wassers aus dem Wärmeaustauschraum entzogen wird und somit am Wärmeaustauschprozess nicht mehr teilnehmen kann. Die Kühlwirkung pro Volumeneinheit des Wärmeaustauschraumes ist daher klein.
Des weiteren besteht der zusätzliche Nachteil, dass durch die Auffangvorrichtung ein unerwünschter Strömungswiderstand für die Kühlluft geschaffen wird, was wiederum eine erhöhte Antriebsleistung für den Ventilator bedingt
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlturm zu schaffen, der die Vorteile der bisherigen Kühltürme mit motorangetriebenem Ventilator besitzt, jedoch keine zusätzliche Energie zum Antrieb eines Ventilatormotors benötigt, keine kostspielige und die Funktion des Kühlturmes beeinträchtigende Auffangvorrichtung für das Wasser zum Antrieb einer teuren Turbine am Fusse des Kühlturmes bedarf und eine grosse Kühlwirkung pro Volumeneinheit des Wärme austauschraumes besitzt.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Flüssigkeitsverteiler drehbar angeordnet ist, dass mindestens ein Teil der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen am Flüssigkeitsverteiler so ausgerichtet sind, dass der Flüssigkeitsverteiler durch die beim Austritt der Flüssigkeit entstehende Schubkraft in Drehung versetzt wird, und dass Mittel vorgesehen sind, um diese Drehung auf den Ventilator zu übertragen.
Dadurch wird erreicht, dass die zum Hin aufpumpen und Versprühen der Flüssigkeit benötigte Energie zusätzlich für den Antrieb des Flüssigkeitsverteilers und des Ventilators dienen kann. Bei der Drehung des Flüssigkeitsverteilers entstehen auch Zentrifugalkräfte, welche beim Ausstoss der Flüssigkeit durch die Austrittsöffnungen mitwirken, so dass der rotierende Flüssigkeitsverteiler weniger Pumpleistung benötigt als ein stationärer Flüssigkeitsverteiler, wie er bisher verwendet wurde. Wichtig ist jedoch vor allem, dass durch den drehenden Flüssigkeitsverteiler der Ventilator angetrieben wird, so dass zum Antrieb desselben keine zusätzliche Antriebsleistung mehr erforderlich ist und somit die bisher sehr grossen Betriebskosten massiv reduziert werden.
Von Bedeutung ist auch, dass durch die Drehung des Flüssigkeitsverteilers sehr kleine Töpfchengrössen erzielt werden, wodurch die Kühlwirkung erhöht wird. Diese wird weiter dadurch erhöht, dass die Tröpfchen nicht einen senkrechten, sondern einen gewundenen und somit längeren Weg im Wärmeaustauschraum zurücklegen. Es steigt dadurch der Gesamtwirkungsgrad des thermischen Kraftwerkes, bei welchem der Kühlturm Verwendung findet. Dies ist sowohl vom Gesichtspunkt des Brennstoffverbrauchs als auch des Umweltschutzes von Bedeutung.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel, welche dazu dienen, die Drehung des Flüssigkeitsverteilers auf den Ventilator zu übertragen, durch eine den Ventilator und den Wasserverteiler tragende Welle gebildet. Dies ergibt eine ausserordentlich einfache Konstruktion von hoher Betriebssicherheit.
Vorteilhaft ist der Ventilator als Flüssigkeitsverteiler ausgebildet, indem er auf einer Hohlwelle sitzt, deren Hohlraum mit Hohlräumen in den Ventilatorflügeln kommuniziert, die ihrerseits zu den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen an den Venti latorflügeln führen. Dies ergibt einen sehr einfachen Aufbau, wobei der Ventilator zugleich als Flüssigkeitsverteiler dient.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besitzt der Flüssigkeitsverteiler einen erheblich geringeren Durchmesser als der Durchmesser des Kühlturmes im Bereich des Flüssigkeitsverteilers. Dadurch ergibt sich eine besonders leichte und billige Konstruktion des Flüssigkeitsverteilers. Dies ist ein weiterer Vorteil eines drehbaren Flüssigkeitsverteilers, denn dieser ist in der Lage, eine grosse Querschnittsfläche zu besprühen, weil bei der Drehung die Flüssigkeit nach aussen geschleudert wird.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Flüssigkeitsverteiler eine Anzahl von Rohren aufweisen, die sich vom Zentrum her sternförmig nach aussen erstrecken. Dabei werden zweckmässigerweise zum Auffangen der Belastung Seile von einer Stelle der Welle oberhalb des Flüssigkeitsverteilers oder des Ventilators zu den Rohren oder Flügeln hin angeordnet. Zum Auffangen der Belastungen können aber auch die Rohre oder Flügel an ihren äusseren Enden Laufräder aufweisen, die auf einer an der Kühlturmwand angebrachten Schiene laufen können.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist ein Teil der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen des Flüssigkeitsverteilers an der Stirnseite der Rohre oder an den Flügelenden vorgesehen. Infolge des Streueffektes eines rotierenden Flüssigkeitsverteilers ist dieser auch bei kleinen Ausmassen in der Lage, den ganzen Querschnitt des Kühlturmes zu besprühen. Es ist aber auch möglich, nur den inneren Teil des Querschnitts des Kühlturmes zu besprühen, was beispielsweise durch Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsverteilers erreicht werden kann. Es ist aber auch möglich, die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen an der Stirnseite der Rohre oder der Flügelenden ganz oder teilweise verschliessbar auszugestalten. Zu diesem Zweck können verstellbare Klappen vorgesehen sein. Diese Klappen können durch einen hydraulischen Zylinder oder durch Fliegkraftregler gesteuert werden.
Dabei kann durch Schliessen der Austrittsöffnungen erreicht werden, dass nur der innere Teil des Querschnitts des Kühlturmes besprüht wird. Dies kann beispielsweise bei tiefen Aus sentemperaturen erfolgen, bei denen bereits ein geringer Luftdurchsatz eine genügende Kühlung bewirkt. Dies hat dann den Vorteil, dass der aus dem Kühlturm austretende Luftstrom einen Mantel aus relativ sehr trockener Luft und einen Kern aus relativ feuchter Luft aufweist. Der Kern aus feuchter Luft ist dann beim Austritt aus dem Kühlturm durch den Mantel aus trockener Luft von der kalten Aussenluft isoliert, so dass die Bildung einer unerwünschten Dampfschwade verhindert oder wenigstens stark reduziert wird. Gleichzeitig wird auch die gefürchtete Vereisung der Kühlturmränder oder des umgebenden Geländes vermieden.
Die Erzeugung eines Abluftstroms mit einem Mantel aus relativ trockener Luft kann auch mit anderen Mitteln bewirkt werden, z. B.
durch entsprechend kleine Bemessung des drehbaren Flüs sigkeitsverteilers oder, wie bereits erwähnt, durch Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsverteilers.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlturms, bei dem der Flüssigkeitsverteiler auch als Ventilator dient.
Figur 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kühlturms, bei welchem der Ventilator über dem Flüssigkeitsverteiler auf der gleichen Welle sitzt.
Figur 3 ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in Figur 2, wobei aber auch der Flüssigkeitsverteiler als Ventilator ausgebildet ist und an seinen Armen noch durch eine Einrichtung verschliessbare Öffnungen aufweist. Dabei wird auf der linken Seite die Einrichtung in verschlossenem und auf der rechten Seite der Figur 3 in geöffnetem Zustand gezeigt.
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel wie in Figur 3, wobei der Flüssigkeitsverteiler als Ventilator ausgebildet ist, jedoch kein weiterer Ventilator mehr vorgesehen ist.
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlturms, bei dem der Flüssigkeitsverteiler an seinen Armen durch eine Einrichtung verschliessbare Öffnungen aufweist und der Ventilator über dem Flüssigkeitsverteiler auf der gleichen Welle sitzt.
Figuren 6 bis 8 verschiedene Ausführungsformen eines als Ventilatorflügel ausgebildeten Flüssigkeitsverteilerarmes im Querschnitt.
Figur 9 ein verstellbar ausgestalteter Flüssigkeitsverteilerarm, der auch als Ventilatorflügel wirken kann,
Figur 10 ein Flüssigkeitsverteiler von oben gesehen.
Figur 11 ein als Ventilatorarm ausgebildeter Flüssigkeitsverteilerarm von oben gesehen, wobei noch Flüssigkeitsleitbleche ersichtlich sind.
Figur 12 ein an der Welle des Flüssigkeitsverteilers angeordneter und von diesem angetriebenen Generator bzw. Pumpe.
Wie die schematische Darstellung von Figur 1 zeigt, weist der Kühlturm einen Kühlturmmantel 1 auf, der in der Regel aus einer Betonschale besteht, die an ihrem unteren Teil Lufteinlassöffnungen (nicht eingezeichnet) besitzt. Die Luft bildet dabei das gasförmige Kühlmedium, auf welches im Innern des Kühlturms, im sogenannten Wärmeaustauschraum 5, Wärme von einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, übertragen werden soll. Der rotierbare Flüssigkeitsverteiler 7 besteht im wesentlichen aus einem Rotor 6 mit einer Anzahl Rohre 8, die sich von einer Hohlwelle 9 her sternförmig nach aussen erstrecken, wie dies am besten aus Figur 10 ersichtlich ist.
Um die Belastung an den Rohren abzufangen, können bei Bedarf sich von einer Stelle der Verlängerung 10 der Welle 9 her Seile 11 zur verschiedenen Stellen an den Rohren 8 erstrecken. Zum Auffangen der Belastungen können aber auch die Rohre 8 an ihren äusseren Enden Laufräder 24 aufweisen, die auf einer an der Kühlturmwand angebrachten Schiene 26 laufen. Beim vorliegenden Beispiel von Figur 1 dient der Flüssigkeitsverteiler 7 auch als Ventilator, da an den Rohren noch Ventilatorflügel 13' angebracht sind (Figur 7, 8). Es ist natürlich auch möglich, anstelle von Rohren 8 Ventilatorflügel 13' mit einem Hohlraum 14" vorzusehen, wobei der Hohlraum 16 der Hohlwelle 9 mit diesen Hohlräumen 14" der Ventilatorflügel 13' kommuniziert.
In den Rohren 8 oder an den Flügeln 13' sind Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 14, 14' vorgesehen, die wenigstens zum Teil so ausgerichtet sind, dass die beim Austritt der Flüssigkeit entstehende Schubkraft den rotierbaren Flüssigkeitsverteiler 7 in Drehung versetzt. Dies wird schematisch in Figur 10 dargestellt, wo die Drehrichtung durch den Pfeil 22 dargestellt wird. Die Figuren 6 bis 8 zeigen, dass die Austrittsöffnungen 14 in einem Bereich von 0 bis 900 zur Vertikalen nach unten gerichtet sind. Dabei ist auch ersichtlich, dass nicht alle Austrittsöffnungen 14 seitlich angebracht sind. Vielmehr können diese in beliebigen Richtungen zeigen, solange dabei ein genügender Schub für die Drehung des Ventilators gewährleistet wird. Es ist auch möglich, z.
B. die äusseren Austrittsöffnungen gegen das Innere des Wärmeaustauschraumes 5 zu richten, damit die Flüssigkeit nicht gegen die Wandung 1 des letzteren geschleudert wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Reihe von nach unten gerichteten Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 14' (Figuren 6 bis 8), denn dadurch wird von jedem Rohr 8 oder Flügel 13' des Flüssigkeitsverteilers ein Flüssigkeitsvorhang erzeugt. Auf die sen Vorhang könnten dann die schräg gerichteten Strahlen des vorangehenden Rohres 8 auftreffen, wobei die Flüssigkeit beim Zusammenprall noch weiter versprüht wird, so dass sich unter Umständen sogar Sprühteller 34 (Fig. 1) erübrigen.
Wenn hier von Strahlen gesprochen wird, so ist dies mehr im bildlichen Sinne zu verstehen, denn bei der Rotation des Flüs sigkeitsverteilers werden die austretenden Strahlen bereits kurze Zeit nach dem Austritt in Tropfen zerlegt.
Es ist ersichtlich, dass der rotierende Flüssigkeitsverteiler, wenn er eine weitgehend feine Versprühung der austretenden Flüssigkeit bewirkt, den Vorteil besitzt, dass unter Umständen sogar die Sprühteller 34 weggelassen werden können. Dadurch werden nicht nur die Baukosten des Kühlturmes erniedrigt, sondern es entfallen auch die Kosten für periodische Unterhaltsarbeiten der Sprühteller 34. Bekanntlich erfordern solche Einrichtungen von Zeit zu Zeit Reinigungsarbeiten.
Die Lagerung der Hohlwelle 9 erfolgt zweckmässigerweise in einem hydrostatischen Druckentlastungslager 17, wobei eine Ölpumpe 19 dafür sorgt, dass dauernd ein dünnes Ölpol- ster zwischen der Welle 9 und dem Lagerteil 18 besteht. Der Ölkreislauf wird in der Figur 1 schematisch mit der Bezugsziffer 21 dargestellt.
Die Flüssigkeitszufuhr zum Flüssigkeitsverteiler 7 erfolgt von nicht eingezeichneten (Haupt-) Xühlwasserpumpen über die Zufuhrleitung 23 zur Hohlwelle 9, welche mit Öffnungen 25 versehen ist, durch welche aus einer Kammer 27 die Flüssigkeit in die Hohlwelle 9 eintreten kann. Die Dichtungsmittel zwischen der Kammer 27 und der Hohlwelle 9 sind schematisch mit der Bezugsziffer 31 dargestellt.
Im Wärmeaustauschraum 5 des Kühlturmes befinden sich, soweit dies beim erfindungsgemässen Kühlturm überhaupt noch notwendig ist, Sprühteller 34 und/oder Sprühbleche 33, über welche die aus dem Flüssigkeitsverteiler 7 fliessende Flüssigkeit nach unten in die Auffangwanne 37 tropft und dabei Wärme an die nach oben strömende Luft abgibt. Die gekühlte Flüssigkeit fliesst dann durch die Leitung 39 zurück zum Verbraucher.
Wie Figur 9 zeigt, kann zum Regulieren der Ventilatordrehzahl der Anstellwinkel der Flügel 13' verstellbar ausgestaltet werden. Zu diesem Zwecke ist das Rohr 8 oder der Flügel 13' auf dem Rotor 6 drehbar gelagert, wobei über ein Hebelwerk, von dem nur der Hebel 4 dargestellt ist, die Ver stellung erfolgen kann. Wie Figur 12 zeigt, ist es aber auch möglich, zum Regulieren der Ventilatordrehzahl eine vom Flüssigkeitsverteiler 7 antreibbare Hilfskühlwasserpumpe 41 vorzusehen, welche die Hauptkühlwasserpumpe (nicht eingezeichnet) unterstützt. Der Antrieb der Hilfskühlwasserpumpe 41 kann beispielsweise von der Hohlwelle 9 aus über Zahnräder 43 und 44 erfolgen. Statt einer Kühlwasserpumpe 41 kann jedoch auch ein Generator 45 vorgesehen werden, der eine Kühlwasserpumpe (nicht eingezeichnet) antreibt.
Der Antrieb des Generators 45 kann dabei beispielsweise über die Zahnräder 43, 44' erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform des Kühlturmes ist in der Figur 2 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Einfachheitshalber ist nur der obere Teil des Kühlturms dargestellt. Im Gegensatz zu Figur 1 ist der Ventilator 13 in einem Abstand vom Flüssigkeitsverteiler 7 angeordnet. Er befindet sich jedoch auf der gleichen Welle 9 wie derselbe, wobei natürlich die Verlängerung 10 der Welle 9 nicht als Hohlwelle ausgebildet sein muss. Wie Figur 2 zeigt, befindet sich der Ventilator 13 im Bereich der engsten Stelle des Querschnitts des Kühlturms, was besonders kleine Ausmasse des Ventilators 13 ermöglicht. Grundsätzlich wäre es aber möglich, eine Kombination von Ventilator und Flüssigkeitsverteiler wie in Figur 1 im engsten Querschnitt des Kühlturms anzuordnen.
Wenn aber, um das Hinaustragen von Flüssigkeitstropfen möglichst zu vermeiden, der Flüssigkeitsverteiler 7 weiter unten angeordnet wird, kann er einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweisen als der grösste Kühlturmdurchmesser. Infolge des Streueffektes eines rotierenden Flüssigkeitsverteilers kann nämlich auch bei kleinen Ausmassen desselben der ganze Querschnitt des Kühlturms besprüht werden. Es ist aber auch möglich, nur den inneren oder den äusseren Teil des Querschnittes zu besprühen. Wird beispielsweise nur der innere Teil besprüht, so tritt ein Luftstrom aus dem Kühlturm aus, der einen Mantel aus relativ trockener Luft und einen Kern aus relativ feuchter Luft aufweist. Dadurch kann die Bildung der an sich unerwünschten Dampffahne verhindert oder stark reduziert werden. Auch wird dadurch die Gefahr einer Vereisung der Kühlturmränder vermieden.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen alles Ausführungsbeispiele des Kühlturmes, bei denen der Flüssigkeitsverteiler 7 einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweist, als der Durchmesser des Kühlturmes im Bereich des Flüssigkeitsverteilers beträgt.
Bei diesen Ausführungsbeispielen weisen die Rohre 8 nicht nur an ihrem Umfang, sondern auch an ihren nach aussen gerichteten Stirnseiten 51 Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 14 auf. Dabei sind verstellbare Klappen 53 vorgesehen, mit welchen bewirkt werden kann, dass entweder der ganze Querschnitt des Kühlturmes (Figur 3 rechts, Figuren 4 und 5 links: offene Klappen 53) oder nur der innere Querschnitt (Figur 3 links, Figuren 4 und 5 rechts: geschlossene oder teilweise geschlossene Klappen 53) besprüht wird. Dabei kann zum Öff- nen oder Schliessen der Klappen 53 ein beispielsweise von einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder 55 betätigtes Hebelsystem 57 verwendet werden.
Es ist ferner auch eine Regelung durch Zentrifugalkräfte denkbar, die dafür sorgt, dass bei schneller Rotation des Flüssigkeitsverteilers 7 die Klappen 53 mehr geschlossen werden, damit die Kühlturmwände nicht besprüht werden.
Währenddem beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 der Flüssigkeitsverteiler 7 als Ventilator ausgebildet ist, ist beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 5 ein separater Ventilator 13 im oberen Teil des Kühlturmes vorgesehen. In Figur 3 hingegen ist der Flüssigkeitsverteiler als Ventilator ausgebildet und zudem ist ein weiterer Ventilator 13 am oberen Teil des Kühlturmes vorgesehen.
Wie ferner noch Figur 11 zeigt, können am Flüssigkeitsverteiler 7 noch Lenkbleche 59 vorgesehen werden, welche die Flüssigkeitsstrahlen in die gewünschte Richtung lenken.