Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Mediums mit vorzugsweise Umgebungsluft in mindestens einem aus Kühlrippen und Rohrregistern bestehenden Wärmetauscher, wobei die Rohre vom zu kühlenden Medium durchflossen werden, sowie ein Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung mindestens eines Wärmetauschers durch Flüssigkeitsverdunstung unter Verwendung der Vorrichtung.
Mit Rohrregistern und Kühlrippen versehene Wärmetauscher zum Kühlen eines beispielsweise flüssigen Mediums, welches durch die Rohre fliesst, sind weit verbreitet. Dabei wird beispielsweise Umgebungsluft oder ein Kühlgas durch die aus Rippen und Rohren gebildeten Packungen getrieben, um das in den Rohren fliessende Medium abzukühlen, welches in der Regel mit einer höheren Temperatur in das Register des Wärmetauschers eintritt als die Temperatur der Kühlungsluft bzw. des Kühlgases.
Um die Kühlung des Mediums gegenüber der reinen Kühlung mittels des Kühlgases bzw. der Umgebungsluft zu verstärken, wird in einer Reihe von Patentschriften empfohlen, die Rohre mittels einer weiteren Flüssigkeit zu besprühen. Durch die mindestens teilweise Verdunstung bzw. Verdampfung der Flüssigkeit auf den Rippen und der Rohroberfläche wird in Folge der Verdampfungswärme ein zusätzlicher Kühleffekt erzeugt. Derartige Vorrichtungen und Verfahren zum zusätzlichen Besprühen von Rohrregistern in Wärmetauschern werden beispielsweise in der FR-2 270 541, CH-593 469, CH-686 532, WO-85/03 339 und WO-96/22 497 beschrieben, sowie wird in der DE-2 615 431 ein ähnliches System zum Reinigen von Rohrbündeln offenbart. Bei all diesen Verfahren und Vorrichtungen werden die Rohre bzw.
Kühlrippen in den Wärmetauschern mittels Wasserdüsen besprüht, wobei diese Wasserdüsen teils seitlich, teils oberhalb des Wärmetauschers angeordnet sind, und insbesondere bei seitlicher Anordnung erfolgt die Besprühung in Richtung der durch den Wärmetauscher getriebenen Kühlungsluft. Beim Besprühen von oben erfolgt der Durchtritt der Kühlungsluft in der Regel von unten. Teilweise werden auch Düsenanordnungen beschrieben, welche hin und her bewegt werden und welche intermittierend betrieben werden, um die versprühte Flüssigkeitsmenge zu optimieren und gegebenenfalls um zu verhindern, dass nicht überflüssige, nicht verdampfte oder verdunstete Flüssigkeit unterhalb des Wärmetauschers abtropft.
Bei allen Vorrichtungen und Verfahren ergibt sich dann das Problem der Verwendung von Düsen, welche durch Verunreinigungen, Kalkablagerungen usw. verstopft werden können. Zudem muss insbesondere bei seitlichem Besprühen ein relativ starker Strahl gegen die Kühlrippen gerichtet werden, damit wenigstens ein Teil der Kühlrippen und Wärmetauscherrohre mittels der Flüssigkeit besprüht wird. Die Gefahr ist aber gross, dass ein Teil der Kühlrippen und Rohre gar nicht durch die Flüssigkeit benetzt wird.
Die Verwendung von bewegbaren Düsenanordnungen und das intermittierende Betreiben der Flüssigkeitsbesprühung macht die Verwendung zusätzlicher Steuerungen notwendig. Insbesondere die in der CH-686 532 verwendeten Molekulardüsen können leicht verstopfen, selbst wenn in dieser Patentschrift die Verwendung von so genanntem voll entsalztem Osmosewasser vorgeschlagen wird, wobei wiederum die Verwendung dieses so genannten Osmosewassers die Verwendung von rostfreiem Stahl oder eines dementsprechenden Korrosionsschutzes bei der Herstellung der Kühlrippen und Rohre notwendig macht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung eines Wärmetauschers durch Flüssigkeitsverdunstung geeignete und möglichst einfache Massnahmen vorzuschlagen, mittels welchen die im Wärmetauscher angeordneten Kühlrippen bzw. Wärmetauscherrohre auf einfachste Art und Weise mit der Flüssigkeit beschickbar sind, durch deren Verdunstung bzw. Verdampfung die Kühlleistung erhöht werden kann.
Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe mittels einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 16 gelöst.
Vorgeschlagen wird eine an sich zum Kühlen eines fluiden Mediums bekannte Vorrichtung, bei welcher das fluide Medium in mindestens einem aus Rohrbündeln und Kühlrippen bestehenden Wärmetauscher gekühlt wird, wobei die Rohre vom zu kühlenden Medium durchflossen werden und die Kühlrippen von einem Kühlgas bzw. von Umgebungsluft angeströmt bzw. durchströmt werden. Erfindungsgemäss ist für die Beaufschlagung der Vorrichtung mit einer Flüssigkeit für zusätzliche Kühlung infolge Flüssigkeitsverdunstung oberhalb des oder der aus Kühlrippen und Rohrbündeln gebildeten Wärmetauscher(s) eine Einrichtung zum Verteilen der Flüssigkeit vorgesehen, welche ein die Kühlrippen wenigstens nahezu überdeckendes, poröses Flächengebilde oder ein poröses Hohlraumsystem aufweist, um die Flüssigkeit flächig zu verteilen und auf die Kühlrippen auszugeben bzw. diese zu flu ten.
Mit anderen Worten wird der oder die Wärmetauscher von oben quer zur Strömungsrichtung des Kühlgases bzw. der Luft flächig geflutet, wobei die Verteilung der Flüssigkeit mittels der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verteileinrichtung erfolgt.
Die Kühlrippen oder Lamellen des oder der Wärmetauscher(s) können durch den ganzen Wärmetauscher hindurch durchgehend ausgebildet sein, oder aber zwischen den einzelnen Rohrbündeln unterbrochen sein, was auf das Beschicken mittels der Flüssigkeit keinen Einfluss hat.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Verteileinrichtung für die Flüssigkeit liegt vorzugsweise auf den Kühlrippen auf, wobei zwischen dem porösen Flächengebilde bzw. Hohlraumsystem und den Kühlrippen beispielsweise eine gitterartige Struktur angeordnet werden kann.
Das Flächengebilde bzw. das Hohlraumsystem ist vorzugsweise schwammartig ausgebildet, und/oder weist ein Gewebe, ein Wabengitter, ein Vlies oder ein filzartiges Gebilde auf. Das Hohlraumsystem kann aber durch ein kiesartiges Bett und/oder ein mit Füllstoffen, wie insbesondere Raschigringen und dgl. gefülltes Bett, gebildet werden.
Schlussendlich kann das Flächengebilde bzw. das Hohlraumsystem für eine Grobverteilung durch ein Lochblech überdeckt sein, wobei die Lochungen derart, wie beispielsweise aufgebordet, ausgebildet sind, dass die Flüssigkeit wenigstens nahezu gleichzeitig und gleichmässig durch die Lochungen hindurch in das Flächengebilde oder Hohlraumsystem hindurchtritt.
Weiter bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 charakterisiert.
Zusätzlich zu den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Ausführungsvarianten wird vorgeschlagen, dass seitlich am Wärmetauscher bzw. den Kühlrippen in Strömungsrichtung des Kühlgases bzw. der Umgebungsluft vorgeschaltet ein durchlässiges, wabenartiges System angeordnet ist, welches ebenfalls mit einer oder der Flüssigkeit beschickbar ist, geeignet, um das durch die Wabenstruktur hindurchtretende Kühlgas bzw. die Umgebungsluft mit Flüssigkeit zu beladen und adiabatisch vorzukühlen.
Diese wabenartige Struktur besteht vorzugsweise aus einem saugfähigen Material, wie beispielsweise einem faserartigen oder einem kartonartigen Material, welches zusätzlich behandelt sein kann, um Schrumpf, Verrotten oder dgl. zu verhindern. Selbstverständlich kann an Stelle der wabenartigen Struktur auch eine grobfilterartige Struktur verwendet werden oder ein mit Füllkörpern, wie wiederum mit Raschigringen, gefülltes Bett, durch welches hindurch das Kühlgas bzw. die Umgebungsluft hindurchtritt und gleichzeitig mit Flüssigkeit beladen bzw. benetzt wird.
Da in der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Vorrichtung keine Düsen verwendet werden, welche verstopfen können, und es zudem nicht speziell nachteilig ist, wenn der oder die Wärmetauscher mit mehr Flüssigkeit beschickt wird bzw. werden, als verdunstet bzw. verdampft, kann die erfindungsgemässe Vorrichtung im Kreislauf betrieben werden, d.h. abtropfende Flüssigkeit kann in einer Auffangeinrichtung aufgefangen und mittels einer Fördereinrichtung erneut in die oberhalb des oder der Wärmetauscher angeordneten Verteileinrichtung zugeführt werden. Dabei muss selbstverständlich die verdunstete bzw. verdampfte Flüssigkeitsmenge mindestens im Kreislauf ersetzt werden.
Da in der erfindungsgemässen Vorrichtung nicht zwingend beispielsweise voll entsalztes Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet werden muss, sondern beispielsweise Rohwasser, enthärtetes oder teilentsalztes Wasser verwendet werden kann, wird vorzugsweise ein Teil der rückgeführten Flüssigkeit, welche nicht verdampft oder verdunstet ist, im Kreislauf ersetzt, damit die Anreicherung der Wasserinhaltsstoffe (Mineralsalze, Verunreinigungen usw.) begrenzt wird.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung eines Lamellenrohrwärmetauschers der genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmetauscherlamellen mit der Flüssigkeit von oben beflutet werden, wobei der Massenstrom so gewählt wird, dass die ganze Wärmetauscheroberfläche wenigstens nahezu immer benetzt ist und damit der Verdunstungs- bzw. Verdampfungsprozess dauernd aufrechterhalten wird. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise von oben und quer zur Luftrichtung geflutet.
Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 16 bis 22 charakterisiert.
Die Erfindung wird nun anschliessend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen zum Kühlen vorgesehenen Lamellenrohrwärmetauscher mit einer erfindungsgemässen Flüssigkeitsverteileinrichtung sowie einer dem Wärmetauscher vorge schalteten Füllkörperwabe in Perspektive und im auseinander gezogenen Zustand,
Fig. 2 im Schnitt eine Kühlanlage, aufweisend mehrere Wärmetauscherbatterien sowie Flüssigkeitsverteileinrichtungen und Füllkörperwaben im zusammengesetzten, montierten Zustand,
Fig. 3 explosionsartig auseinander gezogen und in Perspektive eine erfindungsgemässe Flüssigkeitsverteileinrichtung,
Fig. 4 ein Lochblech für die Grobverteilung der Flüssigkeit in der Verteileinrichtung gemäss Fig. 3, und
Fig. 5 in Perspektive eine Füllkörperwabe.
Fig. 1 zeigt in Perspektive und in explosionsartig auseinander gezogener Darstellung einen erfindungsgemässen Lamellenrohrwärmetauscher 1, welcher durch eine Flüssigkeitsverteileinrichtung 21 überdeckt ist und welchem eine wabenartige Struktur 41 vorgeschaltet ist. Auf Grund der Übersichtlichkeit und der besseren Darstellung sind sowohl Verteileinrichtung 21 wie auch die Wabenstruktur 41 vom Wärmetauscher 1 entfernt dargestellt.
Der Lamellenrohrwärmetauscher 1 besteht aus mehreren Rohrbündeln 3, welche mittels einem fluiden Medium, wie beispielsweise mit Glykol vermischtem Kühlwasser, durch einen Eintritt 5 gespiesen werden, und von welchen das fluide Medium durch einen Austritt 7 wieder ausgelassen wird. Zur Vergrösserung der Wärmetauscheroberfläche sind Lamellen 9 vorgesehen, welche zwischen den Rohrbündeln unterbrochen sind, dargestellt durch die Linie 10.
Für das Fluten des Lamellenrohrwärmetauschers 1 ist oberhalb eine frontseitig abgedeckt dargestellte Flüssigkeitsverteileinrichtung 21 vorgesehen, aufweisend eine Stützkassette 31 sowie von oben sichtbar eine Lochblechkassette 23 für die Flüssigkeits-Grobverteilung, welche verteilt über die ganze Fläche Lochungen 27 aufweist. Weiter umfasst die Verteileinrichtung 21 ein vorzugsweise hygrokopisches Hohlraumsystem, wie ein schwammartiges Gewebe 29 für die Flüssigkeits-Feinverteilung sowie zum Halten des schwammartigen Elementes 29 unten abschliessend ein Stützgitter 25. Schlussendlich weist das Verteilelement 21 einen Anschluss 33 auf sowie ein Anschlussrohr 35 für die Speisung des Verteilelementes 21 mit Flüssigkeit.
Bei der für das Fluten des Wärmetauschers 1 verwendeten Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, wobei vorzugsweise teilentsalztes oder enthärtetes Wasser verwendet wird. Da keine Gefahr der Verstopfung von Düsen besteht, ist es nicht notwendig, annähernd vollständig demineralisiertes Wasser zu verwenden. Damit entfällt aber auch die Problematik der sehr hohen Korrosionsanfälligkeit in Folge der verwendeten Flüssigkeit, womit nicht zwingend rostfreier Stahl zu verwenden ist bei der Herstellung des Wärmetauschers. Es ist also durchaus möglich, so genannten korrosionsarmen Werkstoff zu verwenden bzw. weitgehendst unbehandelten Stahl, welcher beispielsweise zusätzlich für die Korrosionshemmung beschichtet ist.
In Richtung des Durchflusses des Kühlgases bzw. der zur Kühlung verwendeten Umluft, in Fig. 1 mit LR bezeichnet, dem Wärmetauscher vorgeschaltet ist ein wabenartiges Element 41 angeordnet, welches vorzugsweise aus einem hygroskopischen und wasserdurchlässigen Material gefertigt ist. In Fig. 1 sind die schematisch dargestellten Waben mit den Bezugszeichen 43 bezeichnet. We sentlich beim wabenartigen Element 41 ist, dass es einen geringen Luftwiderstand erzeugt, um so möglichst den Durchstrom des Kühlgases nicht zu hemmen. An Stelle von Waben ist es selbstverständlich auch möglich, ein Füllkörperbett zu verwenden, beispielsweise gefüllt mit so genannten Raschigringen.
Für den Betrieb des erfindungsgemässen Wärmetauschers zum Kühlen eines flüssigen Mediums, welches durch die Rohrbündel 3 fliesst, wird nun der Wärmetauscher mittels einer Flüssigkeit geflutet, welche über die Verteileinrichtung 21 an die Lamellen bzw. Kühlrippen 9 abgegeben wird. Durch das schwammartige Element 29 wird sichergestellt, dass die Verteilung der Flüssigkeit möglichst effizient und ganzflächig erfolgt, damit möglichst die gesamte Oberfläche sämtlicher Kühlrippen bzw. Lamellen benetzt wird. Dies ist ja unter anderem einer der gewichtigen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Düseneinrichtungen, wo in der Regel nur die der Düsenanordnungen nahe gelegenen Oberflächen der Kühlrippen bzw. Lamellen mit Flüssigkeit besprüht werden können und somit ein Grossteil der Wärmetauscheroberfläche nicht benetzt wird.
Ein weiterer gewichtiger Vorteil der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Flüssigkeitsverteileinrichtung liegt darin, dass keine Düsen vorhanden sind, welche verstopfen können. Das beispielsweise gewählte schwammartige Element 29 kann einerseits praktisch nicht verstopfen und kann andererseits auf einfachste Art und Weise wieder gereinigt werden. Die Verteileinrichtung 21 kann beispielsweise schubladenartig ausziehbar angeordnet werden, d.h. sie kann auf einfachste Art und Weise vom Wärmetauscher entfernt werden. Durch das Entfernen der Stützkassette 31 und des Stützgitters 25 kann der Schwamm entfernt, ersetzt oder gereinigt werden.
Damit wird es aber auch möglich, den erfindungsgemässen Lamellenrohrwärmetauscher im Kreislauf zu betreiben, da auch bei geringer Anreicherung von Mineralien in Folge des verwendeten Kreislaufes keine Verstopfungs- oder Verschmutzungsgefahr besteht. Es ist also durchaus möglich, den Wärmetauscher mit mehr Flüssigkeit zu beschicken, als bei den jeweiligen Klima- bzw. Temperaturverhältnissen verdunstet oder verdampft. Mit anderen Worten kann ein Teil der Flüssigkeit unterhalb des Wärmetauschers entweichen bzw. abtropfen, welcher beispielsweise in einer Ablaufwanne 63 bzw. in einem Auffangbecken 51 aufgefangen wird. Diese aufgefangene Flüssigkeit kann dann im Kreislauf wieder der Verteileinrichtung 21 zugeführt werden, was unter Bezug auf Fig. 2 näher beschrieben wird.
Schlussendlich erfolgt eine weitere Effizienzsteigerung des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Lamellenrohrwärmetauschers 1 durch die vorgeschaltete Wabenstruktur 41, welche vorzugsweise ebenfalls mittels der Verteileinrichtung 21 mit Flüssigkeit geflutet wird. Entsprechend ist diese Verteileinrichtung in ihrer Breitenausdehnung so zu wählen, dass sie auch die obere Begrenzung der wabenartigen Struktur 41 überdeckt. Indem nun diese Wabenstruktur 41 mittels Wasser geflutet wird, erfolgt eine Beladung der hindurchtretenden Kühlluft, was zu einer adiabatischen Luftvorkühlung führt. Bekanntlich führt das Beladen des Kühlgases bzw. der Kühlluft mittels Feuchtigkeit zu einer Abkühlung derselben.
Auch bei der Wabenstruktur 41 kann diese mit mehr Flüssigkeit geflutet bzw. beschickt werden, als die hindurchtretende Kühlluft aufnimmt, womit ebenfalls Flüssigkeit nach unten in das Auffangbecken 51 austreten kann.
In Fig. 2 ist eine vollständig zusammengesetzte Kühleinheit im Längsschnitt dargestellt, aufweisend vier Lamellenrohrwärmetau scher 1, 1 min , 1 min min , 1 min min min , wobei nun auf Grund der vergrösserten Höhen- wie auch Breitendimension zwei Verteileinrichtungen 21 vorgesehen sind, eine mittig zwischen je einer unteren und einer oberen Wärmetauscherpackung und zuoberst, oberhalb von den beiden oberen Wärmetauscherpackungen. Entsprechend sind den unteren und den oberen Wärmetauscherpackungen je eine wabenartige Struktur 41 vorgeschaltet angeordnet.
Schlussendlich ist die Kühleinheit überdeckt durch eine obere Abdeckung 61, wie beispielsweise eine Monoblocgehäuse-Decke, sowie ist eine Ablaufwanne 63 vorgesehen, auf welcher die Wärmetauscher angeordnet sind und welche die nicht verdampfte oder verdunstete Flüssigkeit in eine Auffangwanne 51 abführt, welche auf einem Boden 65 des Monobloc-Gehäuses gelagert ist.
In dieser Wanne 51 ist zudem eine Fördereinrichtung 71 vorgesehen, um Flüssigkeit aus der Wanne 51 über Leitungen 35, welche durch Anschlüsse 73 bei der Fördereinrichtung gespiesen werden, in die Verteileinrichtungen 21 zu pumpen. In der Auffangwanne 51 sind weiter ein Ablass sowie eine Speisung vorgesehen, welche nicht dargestellt sind. Über den Ablass kann beispielsweise ein Teil der Kreislaufflüssigkeit abgelassen werden, welche zusammen mit der verdunsteten bzw. verdampften Menge an Flüssigkeit über eine Speisung ersetzt wird. Dadurch wird eine Anreicherung an Mineralien begrenzt. (Die Abschlemmenge bestimmt die Anreicherungsgrenze.)
Schlussendlich ist schematisch mittels Pfeilen die Durchströmrichtung des Kühlmediums dargestellt, welches mit LR bezeichnet ist. Auf die Funktionsweise der Wärmetauscheranordnung bzw. Kühleinrichtung gemäss Fig. 2 muss nicht weiter eingegangen werden, da diese analog ist wie die Funktionsweise des Wärmetauschers, dargestellt in Fig. 1.
In Fig. 3 ist das Flüssigkeitsverteilelement 21 im explosionsartig auseinander gezogenen Zustand dargestellt. Das Verteilelement umfasst eine vorzugsweise metallene Lochblechkassette 23 mit einem Lochblech, aufweisend ganzflächig verteilte Lochungen 27. Durch den Anschluss 33 wird die Flüssigkeit auf dieses Lochblech ausgegeben. Durch die Lochungen 27 gelangt die Flüssigkeit weiter auf eine beispielsweise schwammartige Struktur 29, welche vorzugsweise aus einem saugfähigen, hygroskopischen Material gefertigt ist, sodass eine möglichst gleichmässige Flüssigkeitsfeinverteilung gewährleistet ist.
In einer Stützkassette 31 gehalten wird die schwammartige Struktur 29 durch ein Stützgitter 25, welches wiederum beispielsweise aus Metall gefertigt sein kann und welches vorzugsweise möglichst dünn ausgebildet ist, um den Kontakt zwischen dem Schwamm und den oberen Begrenzungen der einzelnen Lamellen bzw. Kühlrippen zu ermöglichen. Durch die dargestellte Ausgestaltung des Flüssigkeitsverteilelements 21 wird eine ausgezeichnete, gleichmässige Flüssigkeitsverteilung und Abgabe an die Lamellen bzw. Kühlrippen des Wärmetauschers gewährleistet.
Damit die über den Anschluss 33 auf das Lochblech ausgegebene Flüssigkeit auf dem Lochblech gleichmässig verteilt wird und um ein gleichmässiges Durchfliessen der Flüssigkeit durch die einzelnen Lochungen 27 zu gewährleisten, sind die einzelnen Lochungen 27 aufgebordet, wodurch auf der Oberfläche des Bleches ein durchgehender Flüssigkeitsfilm 26 gebildet wird.
Diese aufgebordeten Lochungen sind in Fig. 4 erkennbar, wo das Lochblech 25 im Querschnitt dargestellt ist.
In Fig. 5 schlussendlich ist in Frontperspektive die wabenartige Struktur 41 dargestellt, aufweisend die einzelnen Waben 43.
Diese wabenartige Struktur ist wiederum aus einem hygroskopischen Material gefertigt, welches eine gute Saugfähigkeit aufweist. Geeignet sind faserartige Materialien, wie Gewebe, Vliese, Filze oder Papier, bzw. kartonartige Materialien, welche zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit mit entsprechenden Beschichtungsmaterialien versehen sein können. Wesentlich ist, dass die wabenartige Struktur einen geringen Luftwiderstand ergibt, damit das gasförmige Kühlmedium möglichst ungehindert durch diese Struktur hindurchtreten kann. Andererseits soll eine gute Benetzbarkeit des Kühlmediums ermöglicht werden, um auf Grund der Beladung zu einer adiabatischen Gas- bzw. Luftvorkühlung zu gelangen.
Selbstverständlich ist es möglich, an Stelle der genannten Materialien auch ein Füllbett anzuordnen, beispielsweise gefüllt mit Raschigringen oder anderen geeigneten Füllmaterialien, welche eine möglichst grosse Oberfläche bei relativ geringem Luftwiderstand aufweisen.
Bei den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Lamellenrohrwärmetauschern bzw. Flüssigkeitsverteilelementen und Wabenstrukturen handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche auf x-beliebige Art und Weise abgeändert, modifiziert oder durch weitere Elemente ergänzt werden können. So ist es beispielsweise möglich, an Stelle des schwammartigen Elementes 29 in Fig. 3 ein Füllbett anzuordnen, welches mit einem geeigneten Füllstoff versehen ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen grobkörnigen Füllstoff handeln oder um glasartige oder keramikartige Füllkörper, wie beispielsweise Raschigringe. Wesentlich ist, dass durch das Element 29 eine möglichst gute und feine Verteilung der Flüssigkeit oberhalb der Lamellen bzw. Kühlrippen erzeugt wird, damit die Flüssigkeit möglichst gleichmässig und fein auf diesen verteilt wird.
Grundsätzlich erfindungswesent lich ist, dass an Stelle der im Stand der Technik verwendeten Düsen für das Eingeben bzw. Auftragen der zu verdampfenden oder verdunstenden Flüssigkeit, d.h. dass an Stelle des Versprühens oder Verspritzens, die Flüssigkeit auf oder in den Wärmetauscher geflutet wird, d.h. dass ein erfindungsgemäss definiertes Verteilelement verwendet wird.
Alternativ oder ergänzend zu dieser erfinderischen Idee wird weiter vorgeschlagen, dass das für die Kühlung verwendete gasförmige Kühlmedium vor dem Eintritt in die Wärmetauscherpackung adiabatisch vorgekühlt wird, d.h. in einer Füllkörper- oder Wabenstruktur mittels Flüssigkeit beaufschlagt wird.
Dadurch ergeben sich gegenüber den heute im Stand der Technik verwendeten Wärmetauschern mit zusätzlicher Flüssigkeitsverdampfung bzw. -verdunstung zur Erhöhung der Kühlleistung gewichtige Vorteile, indem beispielsweise auf Düsen verzichtet werden kann, womit einerseits die Verschmutzungsgefahr von Düsen entfällt und zudem eine praktisch hundertprozentige Benetzung der Kühlrippen bzw. Kühllamellen erreicht wird. Zudem kann der erfindungsgemäss definierte Wärmetauscher im Kreislauf betrieben werden und ist somit auch weitgehendst von Klima- bzw. Temperaturschwankungen unabhängig betreibbar, d.h. die aufgetragene Flüssigkeitsmenge muss nicht ständig den im Tagesverlauf sich verändernden Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchtegehalt, Menge) des verwendeten gasförmigen Kühlmediums angepasst werden, um den Wasserverbrauch zu minimieren.
Schlussendlich kann die erfindungsgemäss definierte Vorrichtung zusätzlich zur Kühlung eines fluiden Mediums, welches durch die Wärmetauscherrohre fliesst, auch zur Kühlung eines Gases bzw. von Luft verwendet werden, welches bzw. welche zwischen den La mellen hindurch durch den Wärmetauscher strömt. In diesem Falle dient das durch die Rohre strömende, fluide Medium ggf. als Kühl-medium.
The present invention relates to a device and a method for cooling a medium with preferably ambient air in at least one heat exchanger consisting of cooling fins and tube registers, the tubes through which the medium to be cooled flows, and a method for increasing the cooling capacity of at least one heat exchanger by liquid evaporation using the device.
Heat exchangers provided with pipe registers and cooling fins for cooling a liquid medium, for example, which flows through the pipes are widely used. For example, ambient air or a cooling gas is driven through the packings formed from fins and tubes in order to cool the medium flowing in the tubes, which usually enters the register of the heat exchanger at a higher temperature than the temperature of the cooling air or the cooling gas.
In order to intensify the cooling of the medium compared to pure cooling by means of the cooling gas or the ambient air, a number of patents recommend spraying the pipes with another liquid. Due to the at least partial evaporation or evaporation of the liquid on the fins and the pipe surface, an additional cooling effect is generated as a result of the heat of evaporation. Such devices and methods for the additional spraying of pipe registers in heat exchangers are described, for example, in FR-2 270 541, CH-593 469, CH-686 532, WO-85/03 339 and WO-96/22 497, and is described in US Pat DE-2 615 431 discloses a similar system for cleaning tube bundles. In all of these methods and devices, the pipes or
Cooling fins in the heat exchangers are sprayed by means of water nozzles, these water nozzles being arranged partly to the side, partly above the heat exchanger, and in particular in the case of a lateral arrangement, the spraying takes place in the direction of the cooling air driven by the heat exchanger. When spraying from above, the cooling air usually passes through from below. In some cases, nozzle arrangements are also described which are moved back and forth and which are operated intermittently in order to optimize the amount of liquid sprayed and, if appropriate, to prevent unnecessary, non-evaporated or evaporated liquid from dripping below the heat exchanger.
With all devices and methods, there then arises the problem of using nozzles which can be blocked by contaminants, limescale deposits, etc. In addition, in particular when spraying from the side, a relatively strong jet must be directed against the cooling fins, so that at least some of the cooling fins and heat exchanger tubes are sprayed by means of the liquid. However, there is a great risk that part of the cooling fins and pipes will not be wetted by the liquid at all.
The use of movable nozzle assemblies and the intermittent operation of the liquid spray requires the use of additional controls. In particular, the molecular nozzles used in CH-686 532 can easily clog, even if the use of so-called fully demineralized osmosis water is suggested in this patent specification, the use of this so-called osmosis water again using stainless steel or a corresponding corrosion protection in the production which makes cooling fins and pipes necessary.
It is therefore an object of the present invention to propose suitable and as simple as possible measures for a device or a method for increasing the cooling capacity of a heat exchanger by liquid evaporation, by means of which the cooling fins or heat exchanger tubes arranged in the heat exchanger can be loaded with the liquid in the simplest manner are, by their evaporation or evaporation, the cooling capacity can be increased.
According to the invention, the object is achieved by means of a device according to the wording according to claim 1 and by means of a method according to the wording according to claim 16.
What is proposed is a device known per se for cooling a fluid medium, in which the fluid medium is cooled in at least one heat exchanger consisting of tube bundles and cooling fins, the medium to be cooled flowing through the tubes and a cooling gas or ambient air flowing onto the cooling fins or are flowed through. According to the invention, a device for distributing the liquid is provided for the application of a liquid to the device for additional cooling as a result of liquid evaporation above the heat exchanger (s) formed from cooling fins and tube bundles, which device comprises a porous flat structure which at least almost covers the cooling fins or a porous cavity system has in order to distribute the liquid over a large area and to dispense it on the cooling fins or to flow it.
In other words, the one or more heat exchangers are flooded from above transversely to the flow direction of the cooling gas or the air, the distribution of the liquid taking place by means of the distribution device proposed according to the invention.
The cooling fins or fins of the heat exchanger (s) can be continuous throughout the heat exchanger, or can be interrupted between the individual tube bundles, which has no influence on the charging with the liquid.
The distribution device for the liquid proposed according to the invention preferably rests on the cooling fins, it being possible for a lattice-like structure to be arranged between the porous sheetlike structure or cavity system and the cooling fins.
The flat structure or the cavity system is preferably formed like a sponge, and / or has a fabric, a honeycomb grid, a fleece or a felt-like structure. The cavity system can, however, be formed by a gravel-like bed and / or a bed filled with fillers, such as in particular Raschig rings and the like.
Finally, the flat structure or the cavity system can be covered by a perforated plate for a rough distribution, the perforations being designed such as, for example, that the liquid at least almost simultaneously and evenly passes through the perforations into the flat structure or cavity system.
Further preferred design variants are characterized in the dependent claims 2 to 14.
In addition to the embodiment variants proposed according to the invention, it is proposed that a permeable, honeycomb-like system is arranged upstream of the heat exchanger or the cooling fins in the flow direction of the cooling gas or the ambient air, which system can also be charged with one or the liquid, in order to prevent the Cooling gas or the ambient air passing through the honeycomb structure to be loaded with liquid and pre-cooled adiabatically.
This honeycomb-like structure preferably consists of an absorbent material, such as a fibrous or a cardboard-like material, which can be treated in addition to prevent shrinking, rotting or the like. Instead of the honeycomb structure, it is of course also possible to use a coarse filter-like structure or a bed filled with packing elements, such as again with Raschig rings, through which the cooling gas or the ambient air passes and at the same time is loaded or wetted with liquid.
Since no nozzles are used in the device proposed according to the invention, which can clog, and it is also not particularly disadvantageous if the heat exchanger (s) is or are charged with more liquid than evaporates or evaporates, the device according to the invention can be operated in a circuit become, ie dripping liquid can be collected in a collecting device and fed again by means of a conveying device into the distribution device arranged above the or the heat exchanger. Of course, the evaporated or evaporated amount of liquid must be replaced at least in the circuit.
Since in the device according to the invention it is not absolutely necessary to use demineralized water as the cooling liquid, for example, but raw water, softened or partially demineralized water can be used, preferably a part of the recirculated liquid which has not evaporated or evaporated is replaced in the circuit so that the Enrichment of the water constituents (mineral salts, impurities, etc.) is limited.
The method proposed according to the invention for increasing the cooling capacity of a finned tube heat exchanger of the type mentioned is characterized in that the heat exchanger fins are flooded with the liquid from above, the mass flow being selected such that the entire heat exchanger surface is at least almost always wetted and thus the evaporation or evaporation process is continuously maintained. The heat exchanger is preferably flooded from above and across the air direction.
Further preferred embodiment variants of the method are characterized in the dependent claims 16 to 22.
The invention will now be explained in more detail for example and with reference to the accompanying figures.
Show:
1 a lamella tube heat exchanger provided for cooling with a liquid distribution device according to the invention and a filler honeycomb connected upstream of the heat exchanger in perspective and in the exploded state,
2 shows in section a cooling system, comprising a plurality of heat exchanger batteries and liquid distribution devices and filler cells in the assembled, assembled state,
3 exploded apart and in perspective a liquid distribution device according to the invention,
4 shows a perforated plate for the rough distribution of the liquid in the distribution device according to FIG. 3, and
Fig. 5 in perspective a packing honeycomb.
1 shows a perspective and exploded exploded view of a lamellar tube heat exchanger 1 according to the invention, which is covered by a liquid distribution device 21 and which is preceded by a honeycomb-like structure 41. Because of the clarity and the better illustration, both the distribution device 21 and the honeycomb structure 41 are shown removed from the heat exchanger 1.
The finned tube heat exchanger 1 consists of several tube bundles 3 which are fed through an inlet 5 by means of a fluid medium, such as cooling water mixed with glycol, and from which the fluid medium is discharged again through an outlet 7. In order to enlarge the surface of the heat exchanger, fins 9 are provided, which are interrupted between the tube bundles, represented by line 10.
For the flooding of the finned tube heat exchanger 1, a liquid distribution device 21, shown covered at the front, is provided, comprising a support cassette 31 and a perforated plate cassette 23, visible from above, for the rough distribution of liquid, which has holes 27 distributed over the entire surface. Furthermore, the distribution device 21 comprises a preferably hygrocopical cavity system, such as a sponge-like fabric 29 for the fine liquid distribution and finally a supporting grid 25 for holding the sponge-like element 29 at the bottom. Finally, the distribution element 21 has a connection 33 and a connection pipe 35 for feeding the Distribution element 21 with liquid.
The liquid used for flooding the heat exchanger 1 can, for example, be water, preferably partially demineralized or softened water. Since there is no risk of nozzle clogging, it is not necessary to use almost completely demineralized water. However, this also eliminates the problem of the very high susceptibility to corrosion as a result of the liquid used, which means that stainless steel does not necessarily have to be used in the manufacture of the heat exchanger. It is therefore entirely possible to use so-called low-corrosion material or largely untreated steel, which is additionally coated, for example, for corrosion inhibition.
In the direction of the flow of the cooling gas or the circulating air used for cooling, designated LR in FIG. 1, upstream of the heat exchanger, a honeycomb-like element 41 is arranged, which is preferably made of a hygroscopic and water-permeable material. In Fig. 1 the honeycombs shown schematically are designated by the reference numeral 43. It is essential with the honeycomb-like element 41 that it generates a low air resistance so as not to inhibit the flow of the cooling gas. Instead of honeycombs, it is of course also possible to use a packed bed, for example filled with so-called Raschig rings.
For the operation of the heat exchanger according to the invention for cooling a liquid medium which flows through the tube bundle 3, the heat exchanger is now flooded by means of a liquid which is delivered to the fins or cooling fins 9 via the distribution device 21. The sponge-like element 29 ensures that the liquid is distributed as efficiently and over the whole area as possible, so that the entire surface of all the cooling fins or fins is wetted as far as possible. This is, among other things, one of the major disadvantages of the nozzle devices known from the prior art, where generally only the surfaces of the cooling fins or fins close to the nozzle arrangements can be sprayed with liquid and thus a large part of the heat exchanger surface is not wetted.
Another important advantage of the liquid distribution device proposed according to the invention is that there are no nozzles which can clog. The sponge-like element 29 selected, for example, practically cannot clog on the one hand and can be cleaned again in the simplest way on the other hand. The distribution device 21 can, for example, be arranged in a drawer-like manner, i.e. it can be easily removed from the heat exchanger. The sponge can be removed, replaced or cleaned by removing the support cassette 31 and the support grid 25.
However, this also makes it possible to operate the lamellar tube heat exchanger according to the invention in a circuit, since there is no risk of clogging or contamination, even if the minerals are not sufficiently enriched as a result of the circuit used. It is therefore entirely possible to charge the heat exchanger with more liquid than evaporates or evaporates under the respective climatic or temperature conditions. In other words, part of the liquid can escape or drip below the heat exchanger, which is collected, for example, in a drain pan 63 or in a collecting basin 51. This collected liquid can then be returned to the distribution device 21 in the circuit, which is described in more detail with reference to FIG. 2.
Finally, the efficiency of the lamella tube heat exchanger 1 proposed according to the invention is increased by the upstream honeycomb structure 41, which is preferably also flooded with liquid by means of the distributor device 21. Correspondingly, the width of this distribution device should be selected such that it also covers the upper limit of the honeycomb structure 41. By flooding this honeycomb structure 41 with water, the cooling air that passes through is loaded, which leads to adiabatic air pre-cooling. As is known, loading the cooling gas or the cooling air by means of moisture leads to a cooling thereof.
In the case of the honeycomb structure 41, too, this can be flooded or charged with more liquid than the cooling air which passes through, which also allows liquid to exit down into the collecting basin 51.
In Fig. 2, a fully assembled cooling unit is shown in longitudinal section, having four lamellar tube heat exchangers 1, 1 min, 1 min min, 1 min min min, two distribution devices 21 being provided due to the increased height and width dimensions, one in the middle between a lower and an upper heat exchanger pack and at the top, above the two upper heat exchanger packs. Accordingly, a honeycomb-like structure 41 is arranged upstream of the lower and the upper heat exchanger packs.
Finally, the cooling unit is covered by an upper cover 61, such as a monobloc housing ceiling, and a drain pan 63 is provided, on which the heat exchangers are arranged and which discharges the unevaporated or evaporated liquid into a catch pan 51, which is on a bottom 65 of the monobloc housing is stored.
A conveying device 71 is also provided in this tub 51 in order to pump liquid from the tub 51 via lines 35, which are fed through connections 73 at the conveying device, into the distribution devices 21. A drain and a feed, which are not shown, are also provided in the collecting trough 51. Part of the circulating liquid can be drained off via the drain, for example, which is replaced together with the evaporated or evaporated amount of liquid via a feed. This limits the accumulation of minerals. (The discharge amount determines the enrichment limit.)
Finally, the flow direction of the cooling medium, which is designated LR, is shown schematically by arrows. The operation of the heat exchanger arrangement or cooling device according to FIG. 2 need not be discussed further, since this is analogous to the operation of the heat exchanger, shown in FIG. 1.
In Fig. 3 the liquid distribution element 21 is shown in the exploded state. The distribution element comprises a preferably metal perforated plate cassette 23 with a perforated plate, with perforations 27 distributed over the entire surface. Through the connection 33, the liquid is dispensed onto this perforated plate. The liquid passes through the perforations 27 to, for example, a sponge-like structure 29, which is preferably made of an absorbent, hygroscopic material, so that a liquid distribution that is as uniform as possible is ensured.
The sponge-like structure 29 is held in a support cassette 31 by a support grid 25, which in turn can be made of metal, for example, and which is preferably made as thin as possible to allow contact between the sponge and the upper boundaries of the individual fins or cooling fins. The illustrated configuration of the liquid distribution element 21 ensures an excellent, uniform liquid distribution and delivery to the fins or cooling fins of the heat exchanger.
So that the liquid dispensed onto the perforated plate via the connection 33 is evenly distributed on the perforated plate and to ensure a uniform flow of the liquid through the individual perforations 27, the individual perforations 27 are embossed, as a result of which a continuous liquid film 26 is formed on the surface of the plate becomes.
These on-board perforations can be seen in Fig. 4, where the perforated plate 25 is shown in cross section.
Finally, in FIG. 5, the honeycomb structure 41 is shown in a front perspective, comprising the individual honeycombs 43.
This honeycomb structure is in turn made of a hygroscopic material that has good absorbency. Fibrous materials, such as woven fabrics, nonwovens, felts or paper, or cardboard-like materials, which can be provided with appropriate coating materials to achieve sufficient strength, are suitable. It is essential that the honeycomb structure results in a low air resistance so that the gaseous cooling medium can pass through this structure as freely as possible. On the other hand, good wettability of the cooling medium is to be made possible in order to achieve adiabatic gas or air pre-cooling due to the loading.
Of course, it is also possible to arrange a filling bed instead of the materials mentioned, for example filled with Raschig rings or other suitable filling materials, which have the largest possible surface area with relatively low air resistance.
The lamellar tube heat exchangers or liquid distribution elements and honeycomb structures shown in FIGS. 1 to 5 are of course only examples which can be modified, modified or supplemented by further elements in any desired manner. For example, instead of the sponge-like element 29 in FIG. 3, it is possible to arrange a filling bed which is provided with a suitable filler. This can be, for example, a coarse-grained filler or glass-like or ceramic-like fillers, such as Raschig rings. It is essential that the element 29 produces as good and fine a distribution of the liquid as possible above the fins or cooling fins, so that the liquid is distributed as evenly and finely as possible thereon.
It is fundamentally essential to the invention that instead of the nozzles used in the prior art for entering or applying the liquid to be evaporated or evaporated, i.e. that instead of spraying or splashing, the liquid is flooded onto or into the heat exchanger, i.e. that a distribution element defined according to the invention is used.
As an alternative or in addition to this inventive idea, it is further proposed that the gaseous cooling medium used for cooling is adiabatically pre-cooled before entering the heat exchanger packing, i.e. in a packing or honeycomb structure by means of liquid.
This results in significant advantages compared to the heat exchangers used today in the prior art with additional liquid evaporation or evaporation to increase the cooling capacity, for example by dispensing with nozzles, which on the one hand eliminates the risk of contamination of nozzles and also practically 100% wetting of the cooling fins or Cooling fins is reached. In addition, the heat exchanger defined according to the invention can be operated in a circuit and can therefore be operated largely independently of climate and temperature fluctuations, i.e. the amount of liquid applied does not have to be constantly adapted to the operating conditions (temperature, moisture content, amount) of the gaseous cooling medium used in the course of the day in order to minimize water consumption.
Finally, the device defined according to the invention can be used in addition to cooling a fluid medium which flows through the heat exchanger tubes, also for cooling a gas or air which flows through the heat exchanger between the plates. In this case, the fluid medium flowing through the pipes may serve as a cooling medium.