Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Kühlleistung eines aus einem Paket von Lamellen und dieses durchstossenden Rohren bestehenden und von strömender Luft durchsetzten Wärmetauschers, mit einer Sprühvorrichtung zum intermittierenden Aufbringen von Flüssigkeit auf die Oberfläche des Wärmetauschers.
Derartige Lamellen-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. In der Verfahrenstechnik für Kühlzwecke kommen Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmetauscher zur Anwendung, wobei der herkömmliche Wärmeaustausch-Prozess, nämlich Wasser oder eine andere Flüssigkeit (beispielsweise Wasser/Glykolgemisch, Kältemittel, \l, und dergleichen) oder Luft (Aussenluft oder Umluft von technischen Anlagen) mithilfe von Umgebungsluft oder Abluft von lufttechnischen Anlagen abzukühlen, eingesetzt wird. Bei diesem Kühlprozess kann aus physikalisch bedingten Gründen das zu kühlende Medium niemals unter das Temperatur-Niveau des zur Verfügung stehenden Kühlmediums abgekühlt werden.
Durch die Erfindung soll dieser Wärmeaustausch-Prozess mithilfe der Verdunstungsenergie der auf die Oberfläche des Wärmetauschers gesprühten Flüssigkeit so verbessert werden, dass einerseits eine zwei- bis vierfache Erhöhung der Kühlleistung erreicht und andererseits die Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums wesentlich unter das Temperatur-Niveau des zur Verfügung stehenden Kühlmediums abgekühlt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Lamellenpaket eine horizontale Lage einnimmt, wobei die einzelnen Lamellen vertikal angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung der den Wärmetauscher durchströmenden Luft vertikal von unten nach oben gerichtet ist, und dass das Aufbringen der Flüssigkeit durch die Sprühvorrichtung in der Richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Luft erfolgt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung hat den Hauptvorteil, dass der Wirkungsgrad der Kühlwirkung der durch die Sprühvorrichtung auf die Oberfläche des Wärmetauschers aufgebrachten Flüssigkeit gegenüber den bekannten Systemen stark verbessert wird, wobei diese Verbesserung darauf beruht, dass sich die Flüssigkeit möglichst lange auf der Oberfläche der Lamellen des Wärmetauscher befindet. Dieses Ergebnis wird einerseits durch die Strömungsrichtung der Flüssigkeit von oben nach unten und andererseits durch die Strömungsrichtung der Luft von unten nach oben erreicht.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung eine Anzahl von Flachstrahldüsen aufweist, welche quer zu den Lamellen des Lamellenpakets orientiert sind. Dadurch wird verhindert, dass die feinen Flüssigkeitstropfen von der entgegenströmenden Luft mitgerissen und umgelenkt werden und für den Verdunstungsprozess im Lamellenpaket nicht mehr genutzt werden können.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen entlang einer in Längsrichtung des Lamellenpakets orientierten und quer zum Lamellenpaket verstellbaren Reihe angeordnet und so beabstandet sind, dass sich die Sprühkegel unmittelbar beim oder nach dem Auftreffen auf das Lamellenpaket berühren.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Querrichtung des Lamellenpakets mehrere Düsenreihen vorgesehen sind, wobei deren Anzahl von der Breite des Lamellenpakets abhängt, und dass die Düsen auf einem horizontal hin- und herbewegbaren Wagen angeordnet sind, wobei der Hub des Wagens dem Abstand benachbarter Düsenreihen entspricht.
Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung sind die Düsen und der Antrieb des Wagens so gesteuert, dass bei einem Arbeitshub des Wagens in der einen Richtung eine Besprühung des Lamellenpakets erfolgt, dass diese Besprühung beim Leerhub in der Gegenrichtung unterbrochen ist, und dass vor dem nächsten Arbeitshub bis zum Abschluss des Verdunstungsvorgangs der vorher aufgesprühten Flüssigkeit ein Wagenstillstand erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die Zeichnung eine schematische Darstellung eines mit einer erfindungsgemässen Sprüheinrichtung ausgerüsteten Lamellen-Wärmetauschers zeigt.
Der mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Lamellen-Wärmetauscher besteht in bekannter Weise aus einer grossen Anzahl von parallelen Lamellen und diesen durchstossenden Rohren 6, wobei die Rohre 6 einen das Lamellenpaket mehrfach durch-stossenden Förderkanal für ein abzukühlendes Medium, beispielsweise Wasser, bilden. Zur Abkühlung des Wassers ist der Wärmetauscher 5 von strömender Luft, vorzugsweise von Umgebungs- oder Aussenluft durchsetzt. Darstellungsgemäss nimmt das Lamellenpaket eine horizontale Lage ein, wobei die einzelnen Lamellen vertikal angeordnet sind. Die Luft durchströmt das Lamellenpaket unter der Wirkung eines die Umgebungs- oder Aussenluft ansaugenden Ventilators 3 in Richtung des Pfeiles A in vertikaler Richtung von unten nach oben und strömt dabei durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lamellen.
An der Luftaustrittsseite des Wärmetauschers 5 ist eine Sprühvorrichtung 7 angeordnet, welche gegen die Luftrichtung A eine Sprühflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, auf die Lamellen des Wärmetauschers 5 sprüht. Dabei verdunstet das Sprühwasser und die dafür erforderliche Energie wird beinahe ausschliesslich dem Wasserkreislauf in den Rohren 6 entzogen. Wie sich anhand theoretischer Überlegungen zeigen lässt, ist es nicht sinnvoll, dem Wärmetauscher 5 mehr Sprühflüssigkeit zuzuführen als verdunstet werden kann, weil sich dadurch die Verdunstungsmenge nicht erhöht und auch die Kühlleistung 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 Antriebsenergie für die Luftförderung führen würde.
Die Sprühvorrichtung 7 besteht aus einer Wagenkonstruktion mit in der Regel mehreren in Längsrichtung des Wärmetauschers 5 orientierten Reihen von Flachstrahldüsen, welche quer zu den Lamellen orientiert sind. Dadurch wird erreicht, dass möglichst alle der feinen Flüssigkeitstropfen in das Lamellenpaket gelangen und nicht durch die entgegenströmende Luft mitgerissen und umgelenkt werden. Die einzelnen Flachdüsen sind so beabstandet, dass sich die Sprühkegel unmittelbar beim oder nach dem Auftreffen auf den Wärmetauscher 5 berühren. Die Anzahl der Düsenreihen richtet sich nach der Breite B des Wärmetauschers 5. Der Wagen mit den Düsenreihen ist quer zum Wärmetauscher 5 hin- und herbewegbar angetrieben, wobei der Hub dem Abstand benachbarter Düsenreihen entspricht.
Damit eine optimale Verdunstung stattfinden kann, muss sowohl die Dosierung der Sprühflüssigkeit als auch der aktive Bereich des Wärmetauschers 5 so gewählt werden, dass die aufgebrachte Flüssigkeit die freiwerdende Verdunstungsenergie auf das zu kühlende Medium übertragen kann. Die vollständige Verdunstung benötigt eine minimale Zeitspanne, die vom Luftgemisch (Temperatur und Feuchte) und von der Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem abzukühlenden Medium abhängig ist. Aus diesem Grund muss das Sprühwasser so auf die Wärmetauscheroberfläche aufgesprüht werden, dass die betreffende Oberflächeneinheit erst dann wieder besprüht wird, wenn der Verdunstungsvorgang auf dieser Oberflächeneinheit abgeschlossen ist.
Die Sprühvorrichtung 7 wird über ein in einer Zuleitung angeordnetes Magnetventil 4 mit Sprühwasser versorgt. Das Magnetventil 4 ist von einem Regler 2 gesteuert, der ausserdem mit einem Ventilator 3 und einem Temperaturfühler 1 für die Austrittstemperatur des Wassers aus dem Wärmetauscher 5 verbunden ist.
Wenn der Temperaturfühler 1 eine Überschreitung des Temperatur-Sollwerts registriert, wird der Antrieb der Sprühvorrichtung 7 gestartet, und gleichzeitig werden alle Sprühdüsen über das Magnetventil 4 mit Sprühwasser versorgt. Die von einem Linearmotor angetriebene Sprühvorrichtung 7, die sich im Ruhezustand in der mit vollen Linien eingezeichneten Lage befindet, legt einen Arbeitshub von C nach D zurück, wobei das La mellenpaket von den Düsen mit Sprühwasser besprüht wird. Bei Erreichen des Punktes D wird durch das Magnetventil 4 die Sprühwasserversorgung unterbrochen, worauf die Sprühvorrichtung 7 in einem Leerhub nach C zurückkehrt, wo der Antrieb der Sprühvorrichtung 7 für eine vorgegebene Zeit unterbrochen wird.
Nach Unterbrechung der Sprühwasserversorgung am Umkehrpunkt D muss das Leitungssystem zwischen den Sprühdüsen und dem Magnetventil 4 unter Druck gehalten werden, damit bei erneutem Aufstarten der Sprühvorrichtung 7 sichergestellt ist, dass alle Sprühdüsen die Sprühflüssigkeit gleichzeitig und vollflächig versprühen. Die Sprühdüsen sind deshalb mit einem automatischen Schliessmechanismus ausgerüstet, der erst nach Aufbau eines entsprechenden Leitungsdrucks wieder öffnet.
Die Steuerung der Sprühdauer, der Antriebsgeschwindigkeit der Sprühvorrichtung 7 und der Sprühfrequenz, also der Dauer der einzelnen Sprühvorgänge und der Zeitabstände zwischen diesen, erfolgt durch den Regler 2, welcher die genannten Parameter an die Leistungsvorgaben anpasst und gleichzeitg über den Ventilator 3 die für den Verdunstungsvorgang erforderliche Luft über den Wärmetauscher 5 schickt.
Für die Reinigung und ständige Sauberhaltung der Oberfläche des Wärmetauschers 5 wird mit der beschriebenen Sprühvorrichtung unter Zugabe von speziellem Reinigungsmittel und Erhöhung des Düsendrucks der Wärmetauscher 5 periodisch gereinigt, wobei selbstverständlich keine Luftdurchströmung des Wärmetauschers erfolgt. Durch diese periodische Reinigung können stets ein optimaler Wärmeübergang und gleich bleibende Kühlleistung garantiert werden.
The present invention relates to a device for increasing the cooling capacity of a heat exchanger consisting of a package of fins and tubes penetrating it and penetrated by flowing air, with a spray device for the intermittent application of liquid to the surface of the heat exchanger.
Such finned heat exchangers are widely used today and generally serve to bring about a certain temperature compensation between two media that do not directly contact one another and have different temperatures. Air / water and air / air heat exchangers are used in process engineering for cooling purposes, with the conventional heat exchange process, namely water or another liquid (for example water / glycol mixture, refrigerant, \ l, and the like) or air (outside air or recirculating air from technical systems) using ambient air or exhaust air from ventilation systems. In this cooling process, the medium to be cooled can never be cooled below the temperature level of the available cooling medium for physical reasons.
The invention is intended to improve this heat exchange process with the help of the evaporation energy of the liquid sprayed onto the surface of the heat exchanger in such a way that on the one hand a two to fourfold increase in the cooling capacity is achieved and on the other hand the outlet temperature of the medium to be cooled is significantly below the temperature level of the Available cooling medium is cooled.
This object is achieved according to the invention in that the plate pack assumes a horizontal position, the individual plates being arranged vertically, the direction of flow of the air flowing through the heat exchanger being directed vertically from bottom to top, and the application of the liquid by the spray device in the Direction opposite to the direction of flow of the air.
The main advantage of the device according to the invention is that the efficiency of the cooling effect of the liquid applied to the surface of the heat exchanger by the spray device is greatly improved compared to the known systems, this improvement being based on the fact that the liquid remains on the surface of the fins of the heat exchanger for as long as possible located. This result is achieved on the one hand by the direction of flow of the liquid from top to bottom and on the other hand by the direction of flow of the air from bottom to top.
A first preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the spraying device has a number of flat jet nozzles which are oriented transversely to the lamellae of the lamella package. This prevents the fine liquid droplets from being entrained and diverted by the opposing air and can no longer be used for the evaporation process in the plate pack.
A second preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the nozzles are arranged along a row which is oriented in the longitudinal direction of the disk pack and is adjustable transversely to the disk pack and are spaced such that the spray cones touch one another immediately upon or after hitting the disk pack.
A third preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that several rows of nozzles are provided in the transverse direction of the plate pack, the number of which depends on the width of the plate pack, and that the nozzles are arranged on a carriage which can be moved horizontally back and forth, the stroke of the Wagens corresponds to the distance between adjacent rows of nozzles.
In a fourth preferred embodiment of the device according to the invention, the nozzles and the drive of the carriage are controlled in such a way that, during a working stroke of the carriage in one direction, the plate pack is sprayed, that this spraying is interrupted during the idle stroke in the opposite direction, and that before the next working stroke until the evaporation process of the previously sprayed liquid is complete.
The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the single drawing, the drawing showing a schematic representation of a finned heat exchanger equipped with a spray device according to the invention.
The finned heat exchanger designated by the reference number 5 consists in a known manner of a large number of parallel fins and tubes 6 penetrating them, the tubes 6 forming a conveying channel for a medium to be cooled, for example water, which repeatedly punctures the fin package. To cool the water, the heat exchanger 5 is traversed by flowing air, preferably ambient or outside air. According to the illustration, the plate pack occupies a horizontal position, the individual plates being arranged vertically. The air flows through the plate pack under the action of a fan 3 sucking in the ambient or outside air in the direction of arrow A in the vertical direction from bottom to top and flows through the spaces between the individual plates.
A spray device 7 is arranged on the air outlet side of the heat exchanger 5 and sprays a spray liquid, preferably water, against the air direction A onto the fins of the heat exchanger 5. The spray water evaporates and the energy required for this is almost exclusively removed from the water circuit in the tubes 6. As can be shown on the basis of theoretical considerations, it does not make sense to add more spray liquid to the heat exchanger 5 than can be evaporated, because this does not increase the amount of evaporation and also does not further increase the cooling capacity.
In addition, excess spray liquid would form drops on the lamella surfaces and increase the air-side resistance through the lamella gaps, which would lead to an undesirable increase in the drive energy for the air delivery.
The spray device 7 consists of a carriage construction with generally several rows of flat jet nozzles oriented in the longitudinal direction of the heat exchanger 5, which are oriented transversely to the fins. This ensures that all of the fine liquid drops get into the plate pack and are not entrained and deflected by the opposing air. The individual flat nozzles are spaced apart in such a way that the spray cones touch one another immediately upon or after hitting the heat exchanger 5. The number of rows of nozzles depends on the width B of the heat exchanger 5. The carriage with the rows of nozzles is driven to move back and forth across the heat exchanger 5, the stroke corresponding to the distance between adjacent rows of nozzles.
So that an optimal evaporation can take place, both the dosage of the spray liquid and the active area of the heat exchanger 5 must be selected so that the liquid applied can transfer the evaporation energy released to the medium to be cooled. Complete evaporation takes a minimal amount of time, which depends on the air mixture (temperature and humidity) and on the temperature difference between the air and the medium to be cooled. For this reason, the spray water must be sprayed onto the heat exchanger surface in such a way that the surface unit in question is only sprayed again when the evaporation process on this surface unit has been completed.
The spray device 7 is supplied with spray water via a solenoid valve 4 arranged in a feed line. The solenoid valve 4 is controlled by a controller 2, which is also connected to a fan 3 and a temperature sensor 1 for the outlet temperature of the water from the heat exchanger 5.
When the temperature sensor 1 registers that the temperature setpoint has been exceeded, the drive of the spray device 7 is started and at the same time all spray nozzles are supplied with spray water via the solenoid valve 4. The spray device 7, which is driven by a linear motor and which is in the rest position in the position shown in full lines, travels a working stroke from C to D, the spray pack being sprayed with spray water from the nozzles. When point D is reached, the spray water supply is interrupted by the solenoid valve 4, whereupon the spray device 7 returns to C in an idle stroke, where the drive of the spray device 7 is interrupted for a predetermined time.
After the spray water supply has been interrupted at the reversal point D, the line system between the spray nozzles and the solenoid valve 4 must be kept under pressure so that when the spray device 7 is restarted it is ensured that all spray nozzles spray the spray liquid simultaneously and over the entire area. The spray nozzles are therefore equipped with an automatic closing mechanism that only opens again after the appropriate line pressure has been built up.
The control of the spraying duration, the driving speed of the spraying device 7 and the spraying frequency, i.e. the duration of the individual spraying processes and the time intervals between them, is carried out by the controller 2, which adapts the parameters mentioned to the performance requirements and, at the same time, the fan 3 for the evaporation process sends the required air through the heat exchanger 5.
For cleaning and keeping the surface of the heat exchanger 5 constantly clean, the heat exchanger 5 is periodically cleaned with the spray device described, with the addition of special cleaning agent and increasing the nozzle pressure, with, of course, no air flow through the heat exchanger. This periodic cleaning always guarantees optimal heat transfer and constant cooling performance.