CH686532A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Kuehlleistung eines Waermetauschers. - Google Patents

Description

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CH 686 532 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung eines aus mit Kühlrippen versehenen Rohrbündeln bestehenden Wärmetauschers, dessen Rohre von einem zu kühlenden Medium durchflössen und dessen Kühlrippen mit Umgebungsluft angeströmt sind.

Wärmetauscher sind heute weit verbreitet und dienen ganz allgemein dazu, zwischen zwei einander nicht direkt kontaktierenden und verschiedene Temperaturen aufweisenden Medien einen gewissen Temperaturausgleich herbeizuführen. Dabei wird das wärmere Medium abgekühlt und das kühlere erwärmt. Vor diesem allgemeinen Hintergrund ergibt sich der Einsatz von Wärmetauschern sowohl für die Erwärmung als auch für die Abkühlung von Substanzen, beispielsweise für die Wärmerückgewinnung aus Abluft oder für die sogenannte Trockenkühlung, das ist die Rückkühlung von Kühlwasser in pro-zess- und verfahrenstechnischen Anlagen, in der Kraftwerksindustrie, in der Klima- und Kältetechnik, und dergleichen.

Bei der Trockenkühlung ist die Kühlleistung des Wärmetauschers umso grösser, je grösser, bei sonst gleichen Randbedingungen, die Eintrittstemperaturdifferenz der beiden Medien ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das zu kühlende Medium nur mit Umgebungsluft nicht auf einen Wert unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft abgekühlt werden kann. Wird dies trotzdem gewünscht, dann ist eine zusätzliche Kühlung notwendig, und das erfordert bekanntlich zusätzlichen Energieaufwand und ist daher nicht erwünscht. Wenn beispielsweise die Eintrittstemperatur des Wassers in den Wärmetauscher 40° und diejenige der Luft 32° beträgt, dann wird sich das Wasser ohne zusätzliche Kühlung nicht unter die Lufteintrittstemperatur abkühlen.

Durch die Erfindung soll nun das eingangs genannte Verfahren so verbessert werden, dass eine Kühlung des abzukühlenden Mediums auf unterhalb der Lufteintrittstemperatur möglich wird, ohne dass eine zusätzliche Kühlung der Luft erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Kühlrippen mit einer Flüssigkeit besprüht werden, deren Massenstrom so gewählt wird, dass die Flüssigkeit auf der Wärmetauscher-Oberfläche verdunstet.

Praktische Versuche haben gezeigt, dass die Besprühung der Kühlrippen eine Erhöhung der Kühlleistung des Wärmetauschers um annähernd denjenigen Betrag bewirkt, der zur Verdunstung des gesamten, in den Wärmetauscher eingetragenen Kühlwasserstroms erforderlich ist. Dabei entzieht der Wärmetauscher dem Kreislauf des zu kühlenden Mediums zusätzlich annähernd die vollständige Verdunstungsleistung. Da die verdunstende Kühlwassermenge ausserordentlich gering ist, sie liegt bei den vorher genannten Eintrittstemperaturen des zu kühlenden Wassers und der Umgebungstemperatur von 40° bzw. 32° in der Grössenordnung von wenigen Prozenten des Durchsatzes dieser beiden Medien, ist auch die für das Versprühen erforderliche zusätzliche Leistung sehr gering und kann vernachlässigt werden. Die effektive Kühlleistung erhöht sich dagegen drastisch.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit intermittierend und in Richtung des Luftstroms in den Wärmetauscher gesprüht wird.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Kühlrippen praktisch in ihrer ganzen Tiefe von der Flüssigkeit benetzt werden, was einen entsprechend starken Sprühstrahl erfordert. Da ein starker Sprühstrahl mehr Flüssigkeit mit sich führt als ein schwacher und daher die Kühlrippen tendenziell eher mit zuviel Flüssigkeit besprühen könnte, wird der intermittierende Betrieb gewählt, der eine vom Strahldruck unabhängige Feindosierung der versprühten Flüssigkeitsmenge ermöglicht.

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine dem Wärmetauscher zugeordnete und entlang von dessen Lufteintrittsseite hin- und herbewegbar angeordnete Sprühvorrichtung mit mindestens einer Sprühdüse zur Benetzung der Kühlrippen mit Flüssigkeit.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung mehrere Sprühdüsen aufweist, die auf einem gemeinsamen Düsenrohr angeordnet sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung ausgerüsteten Lamellen-Wärmetauschers, in Lufteintrittsrichtung gesehen; und

Fig. 2 ein Diagramm zur Funktionserläuterung.

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 1 für die Abkühlung von Wasser, der aus einer grossen Anzahl paralleler Lamellen 2 und aus diese durchstossenden Rohren 3 besteht. Die Rohre 3, die in bekannter Weise einen die Lamellenbatterie mehrfach durchsetzenden Förderkanal für ein abzukühlendes Medium bilden, sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel von Wasser einer bestimmten Eintrittstemperatur durchflössen, das auf eine bestimmte Austrittstemperatur abgekühlt werden soll. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 1 von strömender Luft, vorzugsweise von Umgebungs- oder Aussenluft, durchsetzt, die in Richtung des Pfeiles A durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lamellen 2 strömt.

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Selbstverständlich brauchen die Kühlrippen des Wärmetauschers 1 nicht unbedingt durch Lamellen 2, sondern können auch durch Platten gebildet sein, und ebenso selbstverständlich sind auch die den Wärmetauscher durchströmenden Medien, abzukühlendes Wasser und kühlende Luft, und auch die genannte Funktion des Wärmetauschers zur Rückkühlung nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.

Bei der im Wärmetauscher 1 erfolgenden sogenannten Trockenkühlung wird vom Prinzip her das die Rohre 3 durchströmende Wasser bis nahe an die Temperatur der den Wärmetauscher 1 durchsetzenden Luft abgekühlt. Oder mit anderen Worten, die Luft muss kühler sein als die geforderte Austrittstemperatur des Wassers. Solange diese Austrittstemperatur über der Temperatur der Umgebungsluft liegt, ergeben sich keine Probleme; liegt sie aber darunter, dann müsste die Umgebungsluft gekühlt werden, was einen zusätzlichen Aufwand an apparativen Einrichtungen und Energie und damit auch an Kosten bedeuten würde.

Untersuchungen haben ergeben, dass es möglich ist, das Wasser ohne zusätzliche Kühlung auf eine Austrittstemperatur unterhalb der Eintrittstemperatur der Luft abzukühlen, wenn man die Lamellen (allgemein, die Kühlrippen) des Wärmetauschers mit Wasser besprüht. Denn das Sprühwasser verdunstet und die dafür erforderliche Energie wird beinahe ausschliesslich dem Wasserkreislauf in den Rohren 3 entzogen.

Gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm, in welchem auf der Ordinate die Kühlleistung Q des Wärmetauschers 1 und auf der Abszisse die Differenz TD zwischen der Eintrittstemperatur des Wassers und derjenigen der Luft in den Wärmetauscher eingetragen ist, ist bei gleicher Eintrittstemperaturdifferenz TD die Kühlleistung Qf eines besprühten Wärmetauschers 1 stets höher als die Kühlleistung Qt eines unbesprühten.

Es gilt die Gleichung: Qf = Qt + M.r (1)

in der M die Verdunstungsmenge und r die Verdampfungswärme des Sprühwassers und der Summand M.r somit die zur Verdunstung des Sprühwassers notwendige Verdunstungsleistung bezeichnet.

Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass es nicht sinnvoll ist, dem Wärmetauscher mehr Sprühflüssigkeit zuzuführen als verdunstet werden kann, weil sich dadurch die Verdunstungsmenge M nicht erhöht und auch die Kühlleistung Qf nicht weiter ansteigt. Ausserdem würde überschüssige Sprühflüssigkeit an den Lamellenoberflächen Tropfen bilden und den luftseitigen Widerstand durch die Lamellenzwischenräume vergrössern, was zu einer unerwünschten Erhöhung der Luftförderleistung führen würde.

Abgesehen davon würde ein zu grosser Durchsatz an Sprühwasser zur Folge haben, dass das nicht verdunstete überschüssige Wasser an den Lamellen 2 nach unten läuft und in einem Behälter aufgefangen und aufbereitet werden muss.

Der aus Fig. 2 ersichtliche Effekt der Kühlleistungserhöhung durch Besprühen der Lamellen 2 des Wärmetauschers 1 mit einer Flüssigkeit, deren Massenstrom so gewählt wird, dass die Flüssigkeit möglichst verdunstet, tritt in jedem Fall ein und bewirkt eine drastische Erhöhung der effektiven Kühlleistung. Das bedeutet, dass das Besprühen der Lamellen auch dann sinnvoll und nützlich ist, wenn die Eintrittstemperatur der Luft ausreichend unterhalb der geforderten Austrittstemperatur des Wassers liegt, weil sich auch dann eine markante Erhöhung der effektiven Kühlleistung ergibt.

Die folgende Tabelle zeigt die an einer Versuchsanlage bei den Betriebsarten WT (Wärmetauscher trocken) und WF (Wärmetauscher besprüht) gemessenen Werte für Wassereintrittstemperatur ETw, Lufteintrittstemperatur ETl, Wasseraustrittstemperatur ATw und effektive Kühlleistung Qe.

Betrieb

ETw

ETl

ATw

Qe

WT

39,900

32,0°C

36,0°C

8,39 kW

WF

39,9°C

32,0°C

29,9°C

21,51 kW

In beiden Fällen betrug die Luftmenge 3780 m3/h und die Wassermenge 1850 l/h; die Sprühwassermenge wurde mit 23,7 l/h gemessen. Der Energiezuwachs durch die Verdunstung des Sprühwassers auf der Wärmetauscher-Oberfläche beträgt bei diesem Beispiel 13, 12 kW, das sind knapp 90% des der Sprühwassermenge entsprechenden theoretischen Wertes.

Die Verdunstungsmenge M (Gleichung 1) des Sprühwassers wird bei gegebenen sonstigen Bedingungen maximal, wenn die Oberfläche der Lamellen 2 möglichst vollständig mit Sprühwasser benetzt ist. Da das Lamellenpaket aber eine gewisse Tiefe aufweist, bedeutet das, dass das Sprühwasser mit einem bestimmten Mindestdruck in den Wärmetauscher 1 gesprüht werden muss, damit es auch die hinteren Partien der Lamellen erreicht. Andererseits ist aber die benötigte Sprühwassermenge derart gering, dass es praktisch unmöglich ist, für die Besprühung des Wärmetauschers 1 eine stationäre Düse oder Düsenanordnung zu verwenden.

Gemäss Fig. 1 ist an der Lufteintrittsseite des Wärmetauschers 1 eine in Richtung des Pfeiles B quer zu den Lamellen 2 hin- und herbewegbare Düsenanordnung vorgesehen, die ein vertikales Düsenrohr 4 und mehrere an diesem im Vertikalabstand angeordnete Düsen 5 und 5' umfasst. Das Düsenrohr 4 ist

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über einen Anschluss 6 mit einer Sprühwasserversorgung verbunden. Das Sprühwasser sollte zur Erzielung einer optimalen Benetzung der Lamellen eine möglichst geringe Oberflächenspannung aufweisen. Aus diesem Grund ist sogenanntes Osmosewasser am besten geeignet; normales Leitungswasser sollte zumindest enthärtet, besser aber mit einer Seifenlösung geimpft sein.

Darstellungsgemäss sind am Düsenrohr 4 zwei verschiedene Arten von Düsen vorgesehen, und zwar Vollstrahldüsen 5 und Flachstrahldüsen 5'. Die beiden Düsenarten sind abwechselnd angeordnet, wobei zuoberst eine Vollstrahldüse 5 und zuunterst eine Flachstrahldüse 5' montiert ist. Die Anzahl der Düsen richtet sich dabei nach der Höhe des Lamellenpakets. Selbstverständlich können die Düsen auch anders angeordnet sein.

Die Vollstrahldüsen 5 spritzen einen scharf gebündelten Strahl zwischen die Lamellen 2, der durch die unterstützende Wirkung der den Wärmetauscher 1 durchströmenden Luft bis an das hintere Ende des Wärmetauschers gelangt. Durch die Querbewegung des Düsenrohres 4 (Pfeil B) gelangt der Strahl jeweils durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lamellen 2 und benetzt die Lamellenoberflächen von oben nach unten. Die Flachstrahldüsen 5' senden einen fächerförmigen Wasserstrahl aus, der in Form feiner Tröpfchen in den Raum zwischen den Lamellen gelangt und deren Seitenflächen gleichsam berieselt und damit die Benetzung der Lamellen vervollständigt. Die Wirkung des Wasserstrahls wird durch die den Wärmetauscher 1 durchströmende Luft zusätzlich unterstützt.

Der nicht näher dargestellte Antriebsmechanismus des Düsenrohres 4 umfasst zwei parallel zu dessen Bewegungsebene angeordnete und über die gesamte Breite des Wärmetauschers 1 reichende Führungsschienen, einen auf diesen verschiebbar gelagerten und das Düsenrohr 4 tragenden Schlitten und ein geeignetes Antriebsmittel für den letzteren. Dieses kann beispielsweise ein Förderband in der Art eines Zahnriemens sein, der über zwei beabstandete Antriebsscheiben geführt und dessen oberes und unteres Trum wahlweise mit dem Schlitten kuppelbar ist, so dass dieser ohne Änderung der Drehrichtung des die Antriebsscheiben antreibenden Motors hin- und herbewegt wird. Selbstverständlich sind auch andere Antriebe möglich; wesentlich ist, dass diese unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Nässe und möglichst wartungsfrei sind.

Auch die konkrete Ausbildung des Düsenrohres 4 und der darauf angeordneten Düsen 5, 5' ist in weiten Grenzen variabel und richtet sich nach den konkreten Randbedingungen, insbesondere nach den Dimensionen des Wärmetauschers und nach den Platzverhältnissen. So empfiehlt es sich beispielsweise, ab einer gewissen Breite des Lamellenpakets mehr als ein Düsenrohr 4 zu verwenden. Man kann in diesem Fall zwei Düsenrohre 4 in einem der halben Breite des Lamellenpakets entsprechenden Abstand anordnen und diese gemeinsam antreiben, wobei jedes Düsenrohr nur über die halbe Breite des Lamellenpakets bewegt zu werden braucht. Die Düsenrohre 4 brauchen auch nicht unbedingt vertikal, sondern können beispielsweise auch schräg orientiert sein. Auch Art, Anzahl und Anordnung der Düsen 5, 5' sind nicht auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschränkt.

Im praktischen Betrieb der Einrichtung wird aus den Abmessungen des Wärmetauschers 1 und aus den herrschenden Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen die Verdunstungsmenge M (siehe Gleichung 1) berechnet und dann die dem Wärmetauscher pro Zyklus zuzuführende Sprühwassermenge sowie die Länge eines Zyklus eingestellt. Schliesslich wird der Antrieb des das Düsenrohr 4 tragenden Schlittens entsprechend abgestimmt.

Dabei sind folgende Umstände zu beachten:

- Wegen der geringen Sprühwassermenge ist ein kontinuierliches Besprühen des Wärmetauschers eher nicht die Regel.

- Zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Benetzung der Lamellen und einer möglichst gleich-massigen Verdunstung des Sprühwassers ist es sinnvoll, wenn das Düsenrohr 4 bei jedem aus einer Hin- und Herbewegung bestehenden Zyklus einen Arbeitshub (Besprühung) und einen Leerhub (Rücklauf zur Ausgangsstellung seitlich neben dem Lamellenblock) macht.

- Eventuell sind zwischen den einzelnen Zyklen Pausen einzuschalten, in denen das Düsenrohr 4 in seiner Ausgangsstellung verharrt. Zur Vermeidung solcher Pausen kann die Geschwindigkeit des das Düsenrohr tragenden Schlittens beim Leerhub entsprechend angepasst werden.

- Über die Länge der Pausen und/oder die Rücklaufgeschwindigkeit des Schlittens kann die Sprühwassermenge sehr einfach gesteuert werden, indem eine Regelung dieser beiden Parameter in Funktion der gewünschten Austrittstemperatur des Wassers erfolgt.

Abschliessend sei nochmals darauf hingewiesen, dass das beschriebene Verfahren nicht auf die Anwendung auf Lamellen-Wärmetauscher beschränkt ist, sondern selbstverständlich auch bei Platten-Wär-metauschern angewendet werden kann. Ebenso ist das Verfahren auch nicht auf Wärmetauscher mit stehenden Kühlrippen beschränkt, sondern kann auch bei solchen mit liegenden Kühlrippen zur Anwendung kommen. Wesentlich ist in allen Fällen, dass durch Besprühen der Kühlrippen mit einer Flüssigkeit eine Erhöhung der Kühlleistung des Wärmetauschers erfolgt.

Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemässen Systems gegenüber herkömmlichen Systemen, wie beispielsweise dem sogenannten «Hybridsystem» besteht darin, dass es zu keiner Tropfenbildung auf den Lamellen kommt. Bei den herkömmlichen Systemen, wo wesentlich mehr Wasser versprüht wird als tatsächlich verdunsten kann, bilden sich auf den Lamellenwänden Tropfen, wodurch die Lamellenzwischenräume verkleinert werden und der luftseitige Widerstand erhöht wird. Letzteres bedingt eine unerwünschte Erhöhung der für die Luftförderung erforderlichen Energie.

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Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung eines aus mit Kühlrippen versehenen Rohrbündeln bestehenden Wärmetauschers, dessen Rohre von einem zu kühlenden Medium durchflössen und dessen Kühlrippen mit Umgebungsluft angeströmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (2) mit einer Flüssigkeit besprüht werden, deren Massenstrom so gewählt wird, dass die Flüssigkeit auf der Wär-metauscher-Oberfläche verdunstet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit intermittierend und in Richtung des Luftstroms in den Wärmetauscher (1) gesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in horizontaler Richtung in den Wärmetauscher (1) gesprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in mehreren vertikal be-abstandeten Strahlen in den Wärmetauscher (1) gesprüht wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dem Wärmetauscher (1) zugeordnete und entlang von dessen Lufteintrittsseite hin- und herbewegbar angeordnete Sprühvorrichtung mit mindestens einer Sprühdüse (5, 5') zur Benetzung der Kühlrippen (2) mit Flüssigkeit.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung mehrere Sprühdüsen (5, 5') aufweist, die auf einem gemeinsamen Düsenrohr (4) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Arten von Strahlen, vorzugsweise Vollstrahlen und Flachstrahlen, erzeugende Düsen (5 bzw. 5') vorgesehen und abwechselnd auf dem Düsenrohr (4) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Breite des Wärmetauschers (1) mehrere beabstandete Düsenrohre (4) vorgesehen sind, deren Verstellweg etwa ihrem gegenseitigen Abstand entspricht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung bei jedem aus einer Hin- und Herbewegung bestehenden Bewegungszyklus einen zum Besprühen des Wärmetauschers (1) dienenden Arbeitshub und einen zum Rücklauf in die Ausgangsstellung dienenden Leerhub ausführt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Bewegungszyklen Pausen vorgesehen sind, deren Länge in Funktion der gewünschten Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums geregelt ist.

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