DE10297322T5

DE10297322T5 - Atmosphärischer Luft-Luft-Wärmetauscher zum Kondensieren von Abluft eines Kühlturms

Info

Publication number: DE10297322T5
Application number: DE10297322T
Authority: DE
Inventors: Bryan J. Overland Park Hubbard; Eldon F. Lenexa Mockry; Ohler L. Jr. Overland Park Kinney
Original assignee: Marley Cooling Technologies Inc
Current assignee: SPX Cooling Technologies Inc
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-12-09
Also published as: CN1610575A; TW538221B; AR036796A1; JP2006502364A; WO2003031026A1; KR20040041690A; US20030070547A1; US6663694B2

Abstract

Verfahren zur Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts eines Luftstroms, welches die Schritte umfasst:
– Lenken eines ersten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer relativen Feuchtigkeit von oder über 90 durch eine erste Reihe von Durchgängen,
– Lenken eines zweiten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer Taupunkttemperatur von zumindest 5 °F unter dem zweiten Luftstrom durch eine zweite Reihe von Durchgängen, wobei jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen von zumindest einem Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen durch ein dünnes, wärmeleitendes Material getrennt ist,
– Absorbieren von Wärme aus dem zweiten Luftstrom in den ersten Luftstrom und
– Auffangen von Wasser, welches aus dem zweiten Luftstrom auskondensiert ist.

Description

PRIORITÄT
Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der US-Patentanmeldung mit dem Titel „Air-To-Air Atmospheric Heat Exchanger For Condensing Cooling Tower Effluent" in Anspruch genommen, die am 11. Oktober 2001 eingereicht wurde mit dem Aktenzeichen 09/973,732, und deren Offenbarung durch den Verweis hiermit einbezogen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Wasserrückgewinnung aus dem Abwasser von Kühltürmen oder anderen Vorrichtungen zum Abführen von Wärme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung aus dem Abwasser von Kühltürmen zur Bereitstellung einer Quelle von sauberem Wasser, zur Reduzierung des Wasserverbrauchs des Kühlturms und/oder zur Reduzierung der Abluftfahne des Kühlturms.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Elektrizitätserzeugung durch Verwendung von dampfgetriebenen Turbinen wird Wasser von einem Brenner erhitzt, um Dampf zu erzeugen, welcher eine Turbine antreibt, um Elektrizität zu erzeugen. Um die Menge an sauberem Wasser zu minimieren, die für diesen Vorgang nötig ist, muss der Dampf wieder in Wasser umgewandelt werden, indem Wärme entzogen wird, so dass das Wasser in dem Vorgang wieder verwendet werden kann. Bei Klimaanlagensystemen für große Gebäude wird Luft innerhalb des Gebäudes gezwungen, Wendeln zu passieren, welche ein gekühltes Kühlgas enthalten, wodurch Wärme aus dem Gebäudeinneren in das Kühlgas übertragen wird. Das erwärmte Kühl mittel wird dann aus dem Gebäude nach draußen gepumpt, wo die überschüssige Wärme aus dem Kühlmittel entfernt werden muss, so dass das Kühlgas wieder gekühlt werden und der Kühlvorgang fortgesetzt werden kann.
Bei beiden vorstehend genannten Verfahren und zahlreichen anderen Verfahren, bei denen der Schritt des Ableitens von überschüssiger Wärme erforderlich ist, werden Kühltürme eingesetzt. Bei Kühltürmen vom Nasstyp wird Wasser an einer Kondensatorwendel vorbeigepumpt, welche den erhitzten Dampf, Kühlmittel oder eine andere erhitzte Flüssigkeit oder ein anderes erhitztes Gas enthält, wodurch Wärme in das Wasser übertragen wird. Das Wasser wird dann zur Oberseite des Kühlturms gepumpt und über ein Kühlturmmedium gesprüht, welches aus dünnen Materialplatten oder Spritzstäben besteht. Während das Wasser am Kühlturmmedium herunterfließt, wird Umgebungsluft gezwungen, das erhitzte Wasser zu passieren, und Wärme wird vom Wasser an die Luft übertragen durch fühlbare und verdampfende Wärmeübertragung. Die Luft wird dann aus dem Kühlturm gepresst und in die Umgebungsluft abgegeben.
Kühltürme sind hocheffiziente und kostengünstige Mittel zur Ableitung dieser überschüssigen Wärme und werden daher häufig zu diesem Zweck verwendet. Ein bekannter Nachteil bei Kühltürmen besteht jedoch darin, dass unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen eine Abluftfahne entstehen kann durch Feuchtigkeit von der Heißwasserquelle, welche in den Luftstrom verdampft und oben aus dem Kühlturm hinausgetragen wird. Wenn der Kühlturm sehr groß ist, wie dies beispielsweise bei Kraftwerken der Fall ist, kann die Abluftfahne tiefliegenden Nebel in der Nähe des Kühlturms verursachen. Die Abluftfahne kann auch eine Vereisung auf den Straßen in der Nähe des Kühlturm verursachen, wenn kältere Temperaturen die Feuchtigkeit in der Abluftfahne zum Gefrieren bringen.
Es wurden daher Anstrengungen unternommen zur Begrenzung oder Eliminierung der Abluftfahne, die von Kühltürmen verursacht wird. Beispiele solcher Anstrengungen sind in den folgenden US-Patenten zu finden:
US-Patent Nr. 6,247,682 von Vouche beschreibt einen Kühlturm mit verminderter Abluftfahne, in dem Umgebungsluft zusätzlich dazu, dass sie unten in den Kühlturm gebracht wird und durch ein Einbautenpaket nach oben gezwungen wird, während heißes Wasser auf das Einbautenpaket heruntergesprüht wird, in den Kühlturm gebracht wird durch isolierte, wärmeleitende Durchgänge unterhalb der Heißwassersprühköpfe. Diese Durchgänge, welche aus einem wärmeleitenden Material wie z.B. Aluminium, Kupfer etc. hergestellt sind, ermöglichen, dass die Umgebungsluft einen Teil der Wärme absorbiert, ohne dass Feuchtigkeit in die Luft verdampft. Oben im Turm werden die nässegeladene, erwärmte Luft und die trockene, erwärmte Luft vermischt, wodurch die Abluftfahne verringert wird.
US-Patent Nr. 4,361,524 von Howlett beschreibt ein System zur Verhinderung der Abluftfahne, bei welchem das heiße Wasser teilweise gekühlt wird, bevor es in den Kühlturm gebracht wird. Die Teilkühlung des heißen Wassers wird unter Verwendung eines separaten Wärmetauschers durchgeführt, welcher mit einem separaten Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Wasser betrieben wird. Wie im Patent ausgeführt wird, vermindert der separate Wärmetauscher die Effektivität des Kühlturms und sollte daher nur eingesetzt werden, wenn atmosphärische Bedingungen gegeben sind, bei denen vom Kühlturm eine Abluftfahne erzeugt werden würde.
Ein weiteres Beispiel eines Systems, das konstruiert wurde, um die Abluftfahne eines Nasskühlturms zu verringern, ist zu finden im „Technical Paper Number TP93-01" des Jahrestreffens des Cooling Tower Institute 1993, „Plume Abatement and Water Conservation with Wet/Dry Cooling Tower", Paul A. Lindahl, Jr. et al. Bei dem System, das in dieser Veröffentlichung beschrieben wird, wird heißes Wasser zuerst durch einen Kühlabschnitt mit trockener Luft gepumpt, wo Luft durch Wärmetauscherrippen gezwungen wird, die mit dem Strom verbunden sind. Das Wasser, welches teilweise gekühlt wurde, wird dann über ein Einbautenpaket gesprüht, welches unterhalb des Kühlabschnittes mit trockener Luft angeordnet ist, und Luft wird durch das Einbautenpaket gezwungen, um das Wasser weiter zu kühlen. Die feuchte Luft wird dann innerhalb des Turms nach oben gezwungen und vermischt mit der erwärmten trockenen Luft aus dem Trockenkühlverfahren und oben aus dem Kühlturm gezwungen.
Obgleich die vorstehend genannten Systeme nützliche Lösungen für das Abluftfahnenproblem bei Nasskühltürmen bieten, ist bei allen die Konstruktion eines komplexen und teuren Wärmeübertragungsmechanismus für feuchte und trockene Luft erforderlich. Ein einfacher und günstiger Kühlmechanismus für feuchte und trockene Luft ist immer noch nötig, bei welchem trockene erwärmte Luft und nässegeladene erwärmte Luft vermischt werden können, bevor sie aus dem Kühlturm austreten, wodurch die Abluftfahne reduziert wird.
Ein weiteres bekanntes Problem bei Kühltürmen besteht darin, dass sich im Wasser, welches zur Kühlung verwendet wird, Verunreinigungen konzentrieren können. Während Wasser aus dem Kühlturm verdampft, wird zusätzliches Wasser hinzugefügt, aber es ist einfach zu erkennen, dass die Konzentration von Verunreinigungen im Wasser zunehmen wird, da sie nicht mit dem Dampf entfernt werden. Wenn zum Kühlwasser Chemikalien hinzugefügt werden, um das Wasser zu behandeln, kann es zu hohen Konzentrationen dieser Chemikalien kommen, was unerwünscht sein kann, wenn sie in die Umwelt entlassen werden. Wenn Meerwasser oder Abwasser verwendet wird, um das verdampfte Wasser zu ersetzen, ein gebräuchliches Verfahren, wenn frisches Wasser nicht zur Verfügung steht oder teuer ist, können sich im Kühlwasserkreislauf auch Salze und Feststoffe im Wasser anreichern. Mit zu nehmender Konzentration dieser Verunreinigungen können diese zwischen den dünnen Verdampfungsplatten abgelagert werden und die Effizienz des Kühlturms verringern.
Um das vorstehend genannte Problem zu verhindern, ist es allgemein üblich, einen Teil des Wassers mit den konzentrierten Verunreinigungen „abzuschlämmen" und es mit frischen Wasser aus der Quelle zu ersetzen. Während dies eine übermäßige Konzentration von Verunreinigungen im Wasser des Kühlturms verhindert, kann das Entsorgen von Wasser während des Abschlämmvorgangs Folgen für die Umwelt haben. Es wurden daher Anstrengungen unternommen, um den Wasserverbrauch bei Kühltürmen zu verringern.
US-Patent Nr. 4.076,771 von Houx, et al. beschreibt den derzeitigen Stand der Technik bei der Verringerung des Wasserverbrauchs in einem Kühlturm. Bei dem System, welches in diesem Patent beschrieben wird, sind sowohl verdampfende Kühlturmwärmeübertragungsmedien als auch ein Wendelabschnitt, der Wärme sensibel überträgt, im gleichen System vorgesehen. Die sensible Wärmeübertragung der Wendeln sorgt für die Kühlung des Wassers des Verfahrens, aber verbraucht kein Wasser.
Während das vorstehend genannte Patent eine erhebliche Verbesserung gegenüber Kühltürmen des Stands der Technik darstellt, wäre es wünschenswert, wenn ein Mechanismus entwickelt würde zur Rückgewinnung des Wassers aus der Abluftfahne zurück in den Kühlturmwasserspeicher, bei welchem kein Wendelabschnitt für sensible Wärmeübertragung erforderlich wäre.
Ein separates Problem, dessen man gewahr wurde, ist die Entsalzung von Meerwasser und die Aufbereitung von anderen Wasserquellen, um genießbares Trinkwasser herzustellen. Zahlreiche Ansätze sind entwickelt worden, um gereinigtes Wasser aus einem feuchten Luftstrom zu entfernen. Zu den wichtigsten kommerziellen Verfahren gehören die mehrstufige Entspannungsverdampfung, Mehrfachverdampfung, Dampfkompressionsverdampfung und Umkehrosmose. Vergleiche „The Desalting ABC's", ausgearbeitet von O.K. Buros für die International Desalination Association, modifiziert und neu aufgelegt von der Research Department Saline Water Conversion Corporation, 1990. Zu den Beispielen für Systeme, die niedrig temperiertes Wasser zur Entsalzung oder Abwärme nutzen, gehören die folgenden:
„Zero Discharge Desalination", Lu et al., Tagungsband der ADA North American Biennial Conference and Exposition, August 2000. Diese Veröffentlichung gibt Informationen über eine Vorrichtung, die frisches Wasser produziert aus einem kalten Luftstrom und einem warmen feuchten Luftstrom von einer Wärmequelle aus minderwertigem Abfall. Das frische Wasser kondensiert entlang den Wänden, welche die beiden Luftströme trennen. Außerdem wird kaltes Wasser über die warme feuchte Luft gesprüht, um die Kondensation zu fördern.
„Open Multiple Effect Desalination with Low Temperature Process Heat", Baumgartner et al., International Symposium on Desalination and Water Re-Use, Band 4, 1991. Diese Veröffentlichung liefert Informationen über einen Wärmetauscher mit Plastikröhren, der zur Entsalzung verwendet wird, bei welchem kaltes laufendes Wasser an der Innenseite der Plastikröhren verwendet wird und warme feuchte Luft, die über die Außenseite der Röhren strömt. Das Kondensat bildet sich an der Außenseite der kalten Röhren.
Aus dem Vorhergehenden zeigt sich, dass ein Bedarf besteht für Entsalzungssysteme zum Umwandeln von Meerwasser oder andere Wasserquellen, die einen hohen Grad an Verunreinigungen enthalten, in einen reineren Wasservorrat. Ein einfaches und kostengünstiges Mittel zum Kondensieren des Abwassers eines Kühlturms wäre daher wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung sieht einen. Wärmetauscher vor, der eine erste Reihe von Durchgängen aufweist, die zur Aufnahme eines ersten Luftstroms ausgebildet sind. Eine zweite Reihe von Durchgängen zur Aufnahme eines zweiten Luftstroms ist im Wärmetauscher ebenfalls vorgesehen, wobei der zweite Luftstrom wärmer ist als der erste Luftstrom. Jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen ist separat, grenzt aber an zumindest einen Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen an, so dass Wärme aus dem zweiten Luftstrom vom ersten Luftstrom absorbiert wird. Ein Speicher zum Auffangen der Feuchtigkeit, die aus dem zweiten Luftstrom kondensiert, ist ebenfalls vorgesehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen Wärmetauscher vor, der zwei gegenüberliegende Wände aufweist, die mit Öffnungen ausgestattet sind, um den Durchtritt eines ersten Luftstroms zu ermöglichen. Zwischen einer Öffnung in der ersten Wand und einer entsprechenden Öffnung in der zweiten Wand sind Röhren vorgesehen, durch die der erste Luftstrom kanalisiert wird. Wände, die zwischen zumindest zwei parallelen Kanten einer Wand und den entsprechenden parallelen Kanten der zweiten Wand vorgesehen sind, gewährleisten, dass ein zweiter Luftstrom an den Röhren vorbei kanalisiert werden kann, um Feuchtigkeit aus dem zweiten Luftstrom zu kondensieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zur Reduzierung des Feuchtigkeitsgehaltes eines Luftstroms vor, bei welchem ein erster Luftstrom mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer relativen Feuchtigkeit von oder über 90 % durch eine erste Reihe von Durchgängen gelenkt wird. Ein zweiter Luftstrom mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer Taupunkttemperatur von zumindest 5°F unter dem zweiten Luftstrom wird durch eine zweite Reihe von Durchgängen gelenkt. Jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen ist von zumindest ei nem Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen durch ein dünnes, wärmeleitendes Material getrennt. Wärme aus dem zweiten Luftstrom wird in den ersten Luftstrom absorbiert, und Wasser, das aus dem zweiten Luftstrom kondensiert ist, wird aufgefangen. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Kühlturm vorgesehen, der ein Gegenstromverdampfungsmedium und ein Wasserverteilungssystem aufweist, welches heißes Wasser über das Gegenstromverdampfungsmedium verteilt. Ein Wärmetauscher, welcher Wärme aus einem ersten Luftstrom in einen zweiten Luftstrom absorbiert, ist ebenfalls vorgesehen, wobei der Wärmetauscher eine erste Reihe von Durchgängen und eine zweite Reihe von Durchgängen aufweist. Ein Lüfter im Kühlturm lenkt Luft durch das Gegenstromverdampfungsmedium, um den ersten Luftstrom zu erzeugen, und lenkt den ersten Luftstrom, mit einer Durchflussrate von zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer relativen Feuchtigkeit von oder über 90 % durch die erste Reihe von Durchgängen. Der Lüfter lenkt auch den zweiten Luftstrom mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer Taupunkttemperatur von zumindest 5 °F unter dem zweiten Luftstrom durch eine zweite Reihe von Durchgängen. Jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen ist von zumindest einem Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen durch ein dünnes, wärmeleitendes Material getrennt. Ein Speicher ist vorgesehen zum Auffangen von Wasser, welches aus dem ersten Luftstrom kondensiert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen Kühlturm vor mit einem Lüfter oben am Kühlturm zur Erzeugung eines Unterdrucks innerhalb des Kühlturms. Ein Gegenstromverdampfungsmedium ist vorgesehen zusammen mit Sprühköpfen, die heißes Wasser auf das Gegenstromverdampfungsmedium sprühen. Ein Wärmetauscher mit einer ersten Reihe von Durchgängen für den Durchtritt eines Luftstroms von außerhalb des Kühlturms in das Zentrum des Turms und eine zweite Reihe von Durchgängen für den Durchtritt eines Abluftstroms vom Verdampfungsmedium ist im Wärmetauscher ebenfalls vorgesehen. Der Luftstrom von außerhalb des Kühlturms absorbiert Wärme aus dem Abluftstrom und kondensiert dadurch Wasser aus der Abluft.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Kühlturm vorgesehen mit einem Lüfter oben am Kühlturm zur Erzeugung eines Unterdrucks im Kühlturm. Ein Gegenstromverdampfungsmedium und ein Heißwasserverteilungssystem, welches heißes Wasser auf das Gegenstromverdampfungsmedium sprüht, sind ebenfalls vorgesehen. Ein Wärmetauscher mit einer ersten Reihe von Durchgängen für den Durchtritt eines ersten Luftstroms von außerhalb des Kühlturms in das Zentrum des Kühlturms und einer zweiten Reihe von Durchgängen für den Durchtritt eines Abluftstroms vom Verdampfungsmedium ist im Wärmetauscher vorgesehen. Der Luftstrom von außerhalb des Kühlturms absorbiert Wärme aus dem Abluftstrom und kondensiert dadurch Wasser aus der Abluft.
Auf diese Weise wurde nun eine relativ breite Übersicht über die wichtigeren Merkmale der Erfindung gegeben, um zum besseren Verständnis der folgenden ausführlichen Beschreibung beizutragen und um ein besseres Verständnis des vorliegenden Beitrages zum Stand der Technik zu ermöglichen. Es gibt selbstverständlich zusätzliche Merkmale der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden und die den Gegenstand der hieran angefügten Ansprüche bilden.
In dieser Hinsicht, noch bevor zumindest ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführlich erklärt wird, versteht es sich von selbst, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung der Bestandteile beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung ausgeführt sind oder in den Zeichnungen dargestellt werden. Die Erfindung ermöglicht auch andere Ausführungsbeispiele und kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt und ausgeführt werden. Ebenso versteht es sich von selbst, dass die hierin sowie in der Zusammenfassung verwendeten Wendungen und Terminologie zum Zweck der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend angesehen werden sollten.
Nachdem dies so ist, wird der Fachmann anerkennen, dass das Konzept, auf dem diese Veröffentlichung beruht, leicht als Grundlage verwendet werden kann zur Konstruktion von anderen Strukturen, Verfahren und Systemen zur Durchführung der verschiedenen Zwecke der vorliegenden Erfindung. Es ist daher wichtig, dass die Ansprüche so gesehen werden, dass sie solche äquivalenten Konstruktionen insoweit einschließen, als sie nicht vom Geist und vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abweichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Wärmetauschers einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Wärmetauschers der 1 in Vergrößerungen, um die Details darzustellen.
3 ist eine grafische Wiedergabe eines psychrometrischen Diagramms für einen Wärmetauscher.
4 ist eine grafische Wiedergabe eines psychrometrischen Diagramms für ein Abluftfahnen-Verminderungsverfahren.
5 ist eine grafische Darstellung eines psychrometrischen Diagramms für ein Abluftfahnen-Verminderungsverfahren mit einem Feuchtigkeits-kondensierenden Wärmetauscher.
6 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß. einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
7A und 7B sind Blockdiagramm-Darstellungen eines Kühlturms gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
8A und 8B sind Blockdiagramm-Darstellungen eines Kühlturms gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
9 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer anderer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
11 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
12 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
13 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
14 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
15 ist eine Darstellung eines röhrenförmigen Wärmetauschers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
16 ist eine Blockdiagramm-Darstellung eines Kühlturms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
17 ist ein Blockdiagramm, das einen Kühlturm gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Wärmetauscher-Pack
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zeigen, wird in 1 ein dampfkondensierender Wärmeaustauscher-Pack 10 dargestellt Der Wärmetauscher-Pack 10 besteht aus dünnen Platten 12, die miteinander verbunden sind, um einen Pack zu ergeben, der einen ersten Durchgang 14 und einen zweiten Durchgang 16 für zwei verschiedene Luftströme aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform treten die zwei Luftströme in den Wärmetauscher-Pack 10 in rechten Winkeln zueinander ein und werden durch die dünnen Platten 12 getrennt gehalten.
Die dünnen Platten 12 sind relativ dünnes Kunstharzmaterial, die ausgeformt sind, um das Kondensieren von Dampf aus einem erwärmten, mit Wasser beladenen Luftstrom zu fördern, der durch die Durchgänge 14 hindurchgeht, um Hitze zu einem kühlen Luftstrom zu leiten, der durch die Durchgänge 14 hindurchgeht und Wärme auf einen kühlen Luftstrom überträgt, der durch Durchgänge 16 hindurchgeht In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Material eine Dicke von 0,005 bis 0,040 Inch und ist bevorzugt 0,015 bis 0,020 Inch dick. Die Oberfläche 18 kann strukturiert sein, um jedem der Luftströme eine ausgedehnte Oberfläche mit einem möglichst geringen Widerstand für den Luftstrom zu bieten. Beispiele von Oberflächenmustern, die für eine solche Verwendung geeignet sind, können in den US-Patenten Nr. 5,944,049 (Kinney, Jr. et al.) und 3,995,689 (Gates) gefunden werden, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. Andere Oberflächenstrukturmuster können, ohne darauf beschränkt zu sein, Strukturen wie Einwölbungen, ähnlich einer Golfball-Oberfläche, und eine Gitterstruktur einschließen, ähnlich einem Siebmuster, das in die Kunststoffplatte eingeprägt ist. Diese vergrößerte Oberfläche erhöht die Wärmetransport-Möglichkeiten der dünnen Platte und erhöht die Geschwindigkeitsfluktuationen nahe der Plattenoberfläche, was die lokale Mischung des individuellen Luftstroms verbessert. Die verbesserte Fluktuation und das resultierende lokale Vermischen des Luftstroms verbessern ebenfalls die Wärmetransport-Möglichkeit der Platte.
Wie in 2 dargestellt, ist, um zu verhindern, dass sich die zwei Luftströme während des Wärmetausch-Verfahrens miteinander mischen, an einer ersten Kante eine Abdichtung 20 an der dünnen Platte aus Kunstharz ausgebildet. Diese Abdichtung wird, an einer Kante der Platte 12, durch die aufgestellten Kanten 22 des dünnen Plattenmaterials 12 gebildet, die sich in der Mitte des Luftdurchgangs 14 treffen, oder, in anderen Worten, wird sie die Hälfte der Breite des Durchgangs 14 angehoben. Diese Kantendichtung 20 erstreckt sich über die Länge des Luftdurchgangs 14 parallel zum Luftdurchgang 16.
Ähnlich wird eine Abdichtung 24 durch die aufgestellten Kanten 26 des dünnen Plattenmaterials 12 gebildet, an der Kante senkrecht zu der Abdichtung 20, welche sich in der Mitte des Luftdurchgangs 16 treffen, oder in anderen Worten, wird sie die Hälfte der Breite des Durchgangs 16 angehoben. Diese Kantendichtung 24 erstreckt sich über die Länge des Luftdurchgang 16 parallel zum Luftdurchgang 14.
Wenn auch nicht dargestellt, sind die Kanten parallel zur Abdichtung 20 und die Kante parallel zur Abdichtung 24 ähnlich verbunden. Es werden also innerhalb des Wärmetauscher-Packs senkrechte Durchgänge 14 und 16 gebildet.
Eine angehobene Kante 26 erstreckt sich positiv aus der gebildeten Platte heraus, und die andere 22 nach unten oder negativ. In dieser Anordnung kann eine einzelne Plattenkomponente verwendet werden, um die Basis des gesamten Wärmetauscher-Packs zu bilden. Dies wird erreicht, wenn der Pack durch Stapeln der Platten 12 zusammengefügt wird und jede zweite Platte zurückgebogen und über der vorherigen Platte ange- ordnet wird. Auch wenn nur drei Durchgänge dargestellt sind, kann leicht erkannt werden, dass die Verwendung des Wärmetauscher-Packs viele senkrechte Durchgänge besitzen kann und dass jede Anzahl von Durchgängen unter Verwendung der Platten 12 gebildet werden kann, wie hierin beschrieben.
Um die Öffnungen der Luftdurchgänge zu erhalten, können Abstandhalter-Vorsprünge oder -Knöpfe in dem dünnen Plattenmaterial gebildet werden. Diese Knöpfe sind gleichmäßig zu der Kantendichtung beabstandet und erstrecken sich entweder positiv 28 aus der gebildeten Platte oder negativ 30 aus der gebildeten Platte über eine Entfernung von der Hälfte der Breite der Luftdurchgangsöffnung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die positiv vorspringenden Knöpfe 28 konisch in ihrer Ausbildung und besitzen eine flache Oberfläche, wenn sie in der Richtung des Luftflusses durch den Durchgang 16 betrachtet werden. Wenn sie zusammengelegt werden, befinden sich die flachen Oberflächen der Knöpfe einer der Platten gegenüber den flachen Oberflächen der Knöpfe der benachbarten Platte. Jeder der positiv vorstehenden Knöpfe 28 erstreckt sich über eine Länge der dünnen Platte parallel zur Richtung des Luftflusses. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Knöpfe 30, die negativ vorstehen, dieselbe Form wie die Knöpfe 28, die positiv vorstehen, sind jedoch senkrecht in ihrer Orientierung. Wiederum sind die negativ vorstehenden Knöpfe 30 einer Platte gegenüberliegend den negativ vorstehenden Knöpfen der Nachbarplatte angeordnet Eine alternative Abstandhalter-Ausbildung, die die Platten positioniert und miteinander verbindet, kann in Kinney '094 gefunden werden.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale sind gewählt, um eine gleichbleibende Breite der Luftdurchgänge beizubehalten und zu verhindern, dass die Durchgänge zusammenfallen, wenn ein Differenzdruck an die zwei Durchgänge angelegt wird. Die Konfigurierung der Knöpfe ist außerdem gewählt, um einen minimalen Widerstand gegen den Luftstrom zu bieten, während ein hinreichender struktureller Widerstand gegen das Kollabieren der Durchgänge bereitgestellt wird.
Die Breite jedes der Durchgänge für entweder den Kühlluftstrom oder den dampfbeladenen Luftstrom kann entsprechend den Gestaltungsbedingungen der jeweiligen Aufgabe variiert werden. Der Kühlluftdurchgang 16 und der Durchgang für dampfbeladene Luft 14 müssen außerdem nicht notwendigerweise die gleichen Breiten besitzen. In der Praxis werden für die speziellen Aufgaben der vorliegenden Erfindung die Durchgangsbreiten bei einem Minimum von 0,5 Inch Breite und einem Maximum von 3,0 Inch Breite liegen, bei einer bevorzugten Breite zwischen 1,0 Inch und 1,5 Inch.
Die Gesamtdimensionen des vervollständigten Packs der dünnen Platten hängen ebenso von der speziellen Gestaltungsaufgabe in Bezug auf die Erfindung ab. Jedoch wird die minimale Packgröße für die Gestaltung 2 × 2 Fuß betragen und die maximale Größe 6 × 24 Fuß.
Die an der Stirnseite des Wärmetauscher-Packs eintretende Luft ist durch den Massenfluss über die Gesamtoberfläche gekennzeichnet. Dies wird üblicherweise als Pfund trockene Luft pro Quadratfuß der Fläche pro Minute ausgedrückt (pda/ft²/min). In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jede Reihe von Luftdurchgängen eine Massendurchflussrate zwischen etwa 10 pda/ft²/min und etwa 60 pda/ft²/min.
Die Temperaturen des warmen feuchten Luftstroms für die bevorzugte Ausführungsform der drei Verfahren, Wasserkonservierung, Wasserreinigung und Abluftfahnenverminderung, sind typischerweise diejenigen, die bei Kühltürmen und anderen Abwärmeabführungsvorrichtungen gefunden werden. Diese Temperaturen rangieren von einem Maximum von etwa 150 °F bis zu einem Minimum von etwa 40 °F. Verdampfende Kühltürme geben typischerweise Luft ab, die gesättigt oder nahezu gesättigt ist (etwa 100 % relative Feuchtigkeit). Ähnliche verdampfende Vorrichtungen, die Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von etwa 90 % oder mehr abgeben, sind für diese Erfindung geeignet. Luftströme mit relativen Feuchtigkeiten unter etwa 90 % erfordern signifikanten Transfer fühlbarer Wärme, um die Luftströme auf ihre entsprechenden Taupunkte zu kühlen. Kondensation kann nur stattfinden, nachdem der Luftstrom die Sättigungskurve am Taupunkt erreicht.
Für die bevorzugte Ausführungsform sind die Betriebsdrücke des Wärmetauscher-Packs etwa dieselben wie die typischen Kühlturm-Betriebsdrücke und liegen in einem Bereich von +/– 6 Millibar. Generell arbeiten Kühltürme bei oder nahe atmosphärischem Druck. Kühltürme haben axiale Ventilatoren und/oder Gebläse, die ebenfalls als zentrifugale Ventilatoren bekannt sind, die geringe Abweichungen vom Atmosphärendruck erzeugen, um einen Fluss durch das Packmedium zu erzeugen, Sprühwasser und Drifteliminatoren. Diese verschiedenen Komponenten verursachen eine Beschränkung des Luftstroms durch Friktion und Geschwindigkeitsdifferenziale, weshalb eine Druckänderung von Atmosphärendruck erforderlich ist, um die Luft durch den Turm zu drängen. Diese Drücke liegen typischerweise in einem Bereich von +/– 3 mbar für axiale Ventilatorsysteme und +/– 6 mbar für Systeme mit einem Gebläse. Es ist gängig zu sagen, dass solche Kühlturmsysteme, die bei diesen relativ kleinen Druckunterschieden arbeiten, bei Atmosphärendruck arbeiten.
Allgemeines Kondensationsverfahren
Wie beschrieben, ist der dampfkondensierende Wärmetauscher in einem Pack mit Durchgängen für zwei verschiedene Luftströme angeordnet. In den Durchgängen 16 wird Kühlluft von einer äußeren Quelle oder von der umgebenden Raumluftmasse zugeführt. Das Verfahren zum Erhalt der Kühlluft ist abhängig von der speziellen Anwendung der Vorrichtung. Die Kühllufttemperatur liegt typischerweise signifikant unterhalb der Luftmassentemperatur des Luftstroms in den gegenüberliegenden Durchgängen 14. In dem gegenüberliegenden Durchgang 14 wird warme feuchte Luft in die Passage geleitet. Die warme feuchte Luft ist typischerweise mit Wasserdampf gesättigt oder besitzt eine Taupunkttemperatur, die bei oder nahe der resultierenden Kühlgrenztemperatur liegt. Die Luftmasse ist ähnlich der durch einen Kühlturm gebildeten, der verwendet wird, um Abwärme aus einem Verfahren zu unterdrücken. Jedoch können andere Verfahren und Methoden, die einen ähnlich warmen feuchten Luftstrom erzeugen, zum Einleiten in diese Vorrichtung verwendet werden, wie ein verdampfender Kondensieren.
Wie in dem psychrometrischen Diagramm der 3 gezeigt, befindet sich die warme feuchte Luft an einem Punkt 32 auf der dargestellten Sättigungskurve. Die Position des Punktes 32 auf der Sättigungskurve, wo die warme feuchte Luft ist, zeigt, dass sie zu 100 % mit Wasserdampf bei hoher Temperatur gesättigt ist. Die kühle Luft, die in den anderen Durchgang eintritt, befindet sich an einem Punkt unterhalb der Sättigungskurve 34. Die Position der Kühlluft auf der psychrometrischen Kurve zeigt, dass sie sich bei einer niedrigeren Temperatur befindet als die eintretende warme Luft. Der mit dieser Luftströmung assoziierte Feuchtigkeitsgehalt ist generell für die Funktionalität der Vorrichtung nicht relevant Im Falle der Abluftfahnenunterdrückung jedoch beeinflusst der Feuchtigkeitsgehalt der eintretenden Luft nicht nur den Feuchtigkeitsgehalt der "Mischung", sondern auch die Berührung der Mischungslinie.
Wenn die zwei Luftströme durch den Wärmetauscher hindurchgehen, wird der Warmluftstrom gekühlt, und der Kaltluftstrom erhöht seine Temperatur. Da die zwei Luftströme nicht physikalisch miteinander in Kontakt kommen, wird der Kühlluftstrom in einer Weise erwärmt, dass keine Feuchtigkeit dem Luftstrom zugeführt oder ihm entnommen wird. Dies ist als sensibles Erwärmen des Luftstroms bekannt. Wie in der psychrometrischen Darstellung angegeben, besitzt die den Wärmetauscher verlassende Kühlluft eine erhöhte Temperatur, aber der Feuchtigkeitsgehalt ist konstant geblieben 36.
Die warme feuchte Luft wird von ihrem Anfangspunkt in der Sättigungskurve 32 auf eine niedrigere Temperatur gekühlt. Wenn die warme feuchte Luftmasse gekühlt wird, muss sich der Feuchtigkeitsgehalt des Luftstroms reduzieren. Weil der Luftstrom zu 100 % gesättigt ist, wird Wasser aus dem Luftstrom auskondensieren, und die resultierende Verminderung der Temperatur wird der 100%-Sättigungskurve auf eine neue, kühlere Temperatur 38 folgen. Die Menge an Wärmeverlust in dem warmen gesättigten Luftstrom muss der Menge an Wärme entsprechen, die im kalten trockenen Luftstrom aufgenommen wurde.
Entsalzungsforschung führte zu der glücklichen Entdeckung, dass die austretende trockene Luft des Luft-Luft-Tauschers viel größer war als erwartet. Diese Entdeckung macht eine mögliche Abluftfahnen-Verminderung mit einer früher vorgeschlagenen Vorrichtung inadäquat. Bisheriges Wissen legte nahe, dass ein Luft-Luft-Wärmetauscher zur Abluftfahnen-Verminderung viel weniger effektiv ist als ein Wasser-Luft-Wärmetauscher wie die Kühlschlangen- oder Kunststoff-Wärmetauscher, wie sie von Kinney in '094 offenbart sind. Kühle Umgebungsluft wird von außerhalb des Turms eingezogen und sensi bel erwärmt. Die Wärmequelle für das Aufwärmen dieser Luft schien Wasser gegenüber Luft zu bevorteilen, da es eine viel größere Masse besitzt. Zum Beispiel besitzt der Kunststoff-Wärmetauscher in '094 typischerweise eine Flussrate von 20 gpm/sf oder mehr. Die Massenflussrate liegt dann typischerweise bei 20 gpm/sf × 8.33 lbm/gallon = 167 lbm/sf/min oder mehr. Der Luft-Luft-Wärmetauscher arbeitet, wie oben beschrieben, in einem Bereich von 10 bis 80 pda/sf/min. Der Gesamtmassenfluss wird bestimmt durch Multiplizieren der Trockenluftrate × (1 + w_s, worin w_s das Feuchtigkeitsverhältnis ist. Für 100 °F gesättigte Luft ist das Feuchtigkeitsverhältnis w_s 0,0432. Die Masse dieses Luftstroms variiert von 10,4 bis 83,5 lbm/sf/min. Daher ist die Wasserflussmasse des '094-Kunststoff-Wärmetauschers üblicherweise viele Male größer als die Luftflussmasse der vorliegenden Erfindung. Für vergleichbare Mengen an trockener Hitze scheint der Luft-Luft-Tauscher eine Änderung in der Temperatur beider Luftströme von einem Vielfachen des Wasserstroms im Wärmetauscher '094 zu erfordern. Dies wurde nicht für möglich gehalten, wenn nicht die Oberfläche auf ein Vielfaches der Oberfläche des Wasser-Luft-Wärmetauschers erhöht würde, um den selben Wärmetausch zu bewerkstelligen. Es schien daher, dass die Größe des Luft-Luft-Wärmetauschers auf nicht mehr handhabbare oder nicht ökonomische Proportionen angehoben werden müsste. Wenn man jedoch den vorstehend beschriebenen Wärmetauscher 10, 1, verwendet, wird der warme feuchte Luftstrom einem Kondensationsverfahren unterzogen. In dem Kondensationsverfahren kommt die warme Luft in Kontakt mit einer kühlen Oberfläche, und Wasser kondensiert aus der Wasser aus. In diesem Verfahren werden sowohl fühlbare als auch latente Wärme freigesetzt, und die absolute Feuchtigkeit wird reduziert. Da sowohl latente als auch fühlbare Wärme in der Vorrichtung übertragen werden, wird sie viel effektiver, als zuvor für möglich gehalten wurde.
In dem Durchgang mit warmer feuchter Luft 14 bilden sich Tröpfchen von Kondensat auf der Oberfläche des Durchgangs mit dem warmen feuchten Luftstrom, wenn der Dampf mit der kühlen Oberfläche des kühlen Durchgangs in Kontakt kommt. Diese Tröpfchen sind ein Ergebnis des Kühlens der warmen feuchten Luft und der resultierenden Feuchtigkeitsreduktion des Luftstroms. Diese Tröpfchen koaleszieren auf der Platte und fließen auf der Oberfläche der Platte des Durchgangs für den warmen feuchten Luftstrom herunter. Die Feuchtigkeit, die auf der Platte kondensiert, kann entweder am Boden der Platte gesammelt oder zu ihrer Ausgangsquelle zurückgeführt werden. Die Verwendung dieses Wassers wird später beschrieben.
Verfahren für Wärmetauscher
A. Wasserkonservierung für Kühltürme
Wie in dem vorherigen Abschnitt diskutiert, wird warme feuchte Luft, welche durch den Wärmetauscherdurchgang strömt, gekühlt, und der Feuchtigkeitsgehalt wird reduziert. Die Reduzierung des Feuchtigkeitsgehaltes der warmen Luft verursacht die Bildung von Tropfen auf dem Warmluftdurchgang der Platte. Diese Tropfen vereinigen sich und fallen vom Boden der Platte. Das aus der feuchten Luftströmung wiedergewonnene Wasser kann dazu benutzt werden, den Wasserverbrauch einer Kühlturmvorrichtung zu reduzieren.
Kühltürme senken die Temperatur von Prozesswasser durch einen Verdampfungsprozess und bilden folglich eine Stelle, um einem System Hitze zu entziehen. Die entzogene Hitze ist typischerweise nicht für andere Prozesse verwendbar und wird als "minderwertige Abwärme" bezeichnet und wird in die umgebende Atmosphäre freigesetzt. Durch den Kühlturmprozess geht ein gewisser Prozentsatz des Prozesswassers, das durch das System zirkuliert, durch Verdampfung verloren. Die Menge des Wasserverlustes durch den Verdampfungsprozess liegt normalerweise zwischen 0,5 % bis 3 % der gesamten Strömungsrate. Generell ist dies grob 0,8 % für jede 10 °F an Abkühlung des Prozesswassers. Dieser Wasserverlust kann für Betreiber von Kühlturmvorrichtungen teuer sein.
Das Wasser, welches den Turm durch Verdampfung verlässt, ist in einem reinen Dampfzustand, deshalb bleiben andere Verunreinigungen wie zum Beispiel Feststoffe, gelöste Feststoffe, Salze, usw. in dem Prozesswasser zurück. Mit der Zeit, da reines Wasser entzogen wird, reichern sich diese Verunreinigungen im Prozesswasser an. Um diese Verunreinigungen zu reduzieren, wird ein gewisser Prozentsatz des Prozesswasser kontinuierlich entfernt. Das aus dem System entfernte Wasser wird Abschlämme genannt. Um einen Kühlturm zu betreiben, muss deshalb Wasser hinzugefügt werden, um sowohl das Wasser der Verdampfung als auch die notwendige Abschlämme zu ersetzen. In vielen Fällen ist es schwierig, aufgrund der Qualität des chemisch geladenen Wassers und der verschärften Bestimmungen im Zusammenhang mit Abwasser, dieses Wasser direkt in die Umwelt abzuleiten. Deshalb liegt ein erheblicher ökonomischer Vorteil darin, die Menge der Abschlämme zu reduzieren.
Mit dem oben beschriebenen Luft-Luft-Wärmetauscher 10, 1, kann aus der feuchten Warmluftströmung zurückgewonnenes Wasser zurück in das System gebracht werden. Dies wird tatsächlich sowohl die Verdampfung des Turms als auch die notwendige Abschlämme des Systems reduzieren. Ausgestaltungen eines Kühlturms, welche diesen Wärmetauscher enthalten, werden unten beschrieben werden. Da das dem Kühlturmsystem zurückgeführte Wasser nahezu reines Wasser ist, kann es in vielen Fällen von besserer Qualität als das ursprüngliche Füllwasser sein. Diese verbesserte Wasserqualität könnte auch gegebenenfalls die Menge von Chemikalien, welche für den Kühlturmprozess benötigt werden, reduzieren.
Um den Wärmetauscher in wirksamer Weise zu betreiben und Wasser zurück in das System zu führen, müssen die Temperaturen der Luft, die in den Kühlluftdurchgang eintritt, unter der Warmluft, welche in den gegenüberliegenden Durchgang eintritt, liegen. Für eine Wasserkonservierungsvorrich tung wird die Menge des in das Becken zurückgeführten Wassers geringer sein, wenn die zwei Temperaturen sich demselben Wert annähern. Falls die kalte Seite des Wärmetauschers mit Umgebungslufttemperaturen und nicht durch andere Mittel gekühlt wird, wird der Wärmetauscher, wenn die Temperaturen kühler sind oder während des Winterbetriebs, mehr Wasser zurückführen. Während des Sommerbetriebs wird der Wärmetauscher weniger Wasser zurückführen. Übliche Werte von zurück in das Becken geführten Wassers werden von 40 % des verdampften Wassers während der Wintermonate bis zu 3 % des verdampften Wassers während des Sommerbetriebs reichen. Das zurückgeführte Wasser würde auf einer jährlichen Basis bei etwa 10 % bis 30 % in Abhängigkeit von der Örtlichkeit liegen. Tabelle 1 unten zeigt den Prozentsatz von zurückgewonnenem Verdampfungswasser für verschiedene Örtlichkeiten im Sommer und im Winter. Die angegebenen Zahlen stehen für maximal vom Kühlturm zurückgewonnenes, abfließendes Wasser, basierend auf lokalen Bedingungen und einer Kraftwerksbetriebsart in einem 25 °F-Bereich.
B. Wasseraufbereitung und Entsalzung
Ein Kühlturm erzeugt warme feuchte Luft während des Verdampfungs- /Wärmeabführungsverfahrens. Diese warme feuchte Luft enthält nahezu reinen Dampf und ist frei von den meisten Verunreinigungen wie Feststoffen, gelösten Feststoffen, Salzen und Chemikalien. Ein beträchtlicher Teil dieses reinen Dampfes kann zurückgewonnen werden, wenn dieser Typ von Wärmetauscher eingesetzt wird. Zusätzlich zum Rezyklieren des Wassers zurück in das Kühlturmreservoir kann der reine Dampf, wenn er in den Wasserzustand zurück umgewandelt ist, für andere Anwendungen genutzt werden, die eine Quelle reinen Wassers benötigen. Aufgrund der Kosten, die mit der Zuführung von Prozesswasser für Kühltürme verbunden sind, ist das genutzte Füllwasser oft entweder Salzwasser aus Meerwasserquellen oder Abwasser aus einem industriellen Verfahren. Wenn dieser Wärmetauscher als eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung eingesetzt wird, ist er in der Platte Wasser, welches ansonsten aufgrund der Qualität unerwünscht ist, umzuwandeln.
Obwohl es nicht rein ist, wird das resultierende Wasser frei von den meisten Verunreinigungen sein. Viren, biologische Verunreinigungen und eine kleine Menge von gelösten Feststoffen kann auch im Dampf mitgerissen werden. Ebenso kann eine kleine Menge an Prozesskühlwasser auch in der feuchten Luftströmung mitgerissen werden und das kondensierte Wasser verunreinigen. Diese Art von Einschleppung wird in der Kühlturmindustrie als "Drift" bezeichnet. Ein sekundärer Reinigungsprozess kann eingesetzt werden, um weitere Grade erwünschter Wasserqualität zu erreichen. Der Vorteil der sich aus dem vorliegenden Verfahren ergibt, kann im Fall von Seewasserentsalzung darin gesehen werden, dass Trinkwasser erzeugt wird. Im Fall der Entsalzung von Seewasser ist einer der teuersten Schritte im Verfahren die Entfernung der Salze. Das vorangehend beschriebene Kühlturm-Rückgewinnungsverfahren könnte dazu genutzt werden, den Salzgehalt beträchtlich zu reduzieren, so dass ein weniger teures Verfahren für die Endreinigung des Wassers genutzt werden könnte. Ein Beispiel eines Verfahrens, das für das Endreinigungsverfahren verwendet werden kann, ist die Umkehrosmose.
Das Verfahren zur Rückgewinnung des Wassers für andere Verwendungen ist grundsätzlich dasselbe, wie es vorher im Wasserkonservierungsabschnitt oben beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, dass das vom Wärmetauscher-Pack zurückgewonnene Wasser in einem separaten Becken gesammelt werden kann. Details einer Kühlturmanwendung mit einem Rückgewinnungsbecken werden unten beschrieben.
Wie bei dem Wasserkonservierungsturm wird, falls die Umgebungsluft als die Quelle für die Kaltseitentemperaturen benutzt wird, die Erzeugung reinen Wassers während der Sommermonate abnehmen, da Lufttemperaturen während der Sommermonate ansteigen. Übliches von diesem System zurückgewonnenes Wasser wird 20 % bis 25 % des gesamten verdampften Wassers sein, auf einer Jahresbasis. Falls eine Quelle entweder von kalter Luft oder Wasser verfügbar ist, könnte mehr Wasser vom Systemzurückgewonnen werden. Zum Beispiel könnte es, falls eine Quelle von kaltem Meerwasser verfügbar ist, dazu benutzt werden, die hereinkommende Luft im kalten Durchgang des Wärmetauschers zu kühlen. Da die Temperaturunterschiede zwischen der warmen und kalten Seite der Wärmetauscherplatte ansteigen, steigt die Kondensation, und es wird folglich mehr reines Wasser erzeugt. Eine Anordnung, welche die Rate der Reinwassererzeugung verbessern würde, wenn eine Quelle von kaltem Seewasser verfügbar ist, wird unten beschrieben werden.
Die Wasserreinigungsvorrichtung ist aufgrund der Erzeugung warmer feuchter Luft gut zur Nutzung in einem Kühlturm geeignet, jedoch könnten auch andere Vorrichtungen, welche warme feuchte Luft erzeugen, in Verbindung mit dieser Vorrichtung benutzt werden.
C. Abluftfahnen-Verminderung für Kühltürme
Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung kann auch dazu genutzt werden, die sichtbare Abluftfahne eines Kühlturms zu reduzieren. Dieses Verfahren ist im Wesentlichen dasselbe Verfahren wie das Wasserkonservierungsverfahren. Der einzige Unterschied ist, dass die kalte Luft, welche in dem Kaltseitendurchgang erwärmt wird, mit der warmen feuchtigkeitsbeladenen Luftströmung vermischt wird. Die Mischung dieser zwei Luftströme kann in wirksamer Weise die Anwesenheit der sichtbaren Abluftfahnen durch einen anderen Ansatz als typische Abluftfahnen-Verminderungstürme reduzieren.
Ein typisches Verfahren, welches zur Reduzierung der sichtbaren Abluftfahne in einem Kühlturm benutzt wird, ist in dem psychrometrischen Diagramm der 4 dargestellt. Wie in dem Diagramm dargestellt, ist ausströmende Luft aus dem Verdampfungsabschnitt eines Kühlturms warme, 100 %-ig gesättigte Luft 40. Warmes Wasser von der Wärmequelle wird auch durch eine Kühlschlange oder andere auf der Seite des Turms angeordnete Wärmetauscher geschickt. Das warme Wasser wird dazu benutzt, die Umgebungsluft 42 zu erhitzen. Luft wird dann sowohl durch den Verdampfungshitzeabschnitt als durch den Wasser-Luft-Wärmetauscher gezogen. Die Umgebungsluft 42, welche durch den Wasser-Luft-Wärmetauscher strömt, wird ohne einen Wechsel im Feuchtigkeitsgehalt (d.h. fühlbaren Wärmetransfer) 44 erhitzt. Die warme trockene Luft 44 tritt dann aus dem Wasser-Luft-Wärmetauscher aus.
Die den Wasser-Luft-Wärmetauscher verlassende warme trockene Luftströmung 44 wird dann mit der feuchten Luftströmung 40, welche den Verdampfungsabschnitt des Kühlturms verlässt, vermischt. Die Mischung dieser zwei Luftströmungen resultiert in einer Luftströmung 46, welche die Eigenschaft hat, dass wenn die austretende Kühlturmluftströmungstemperatur 46 und die Umgebungslufttemperatur 42 mit einer Linie im psychrometrischen Diagramm verbunden werden, die Verbindungslinie 48 nicht über die 100 %-Sättigungskurve kreuzt. Wenn die Verbindungslinie 48 die 100 %-Sättigungskurve querte, wenn die Umgebungs- und Austrittsluft vermischt werden, würde Kondensation des Wasserdampfes von der Luftströmung der Verdampfungssektion eintreten, was eine sichtbare Abluftfahne oder Nebel erzeugen würde. Die Fläche über der 100 %-Sättigungskurve ist der übersättigte Bereich und wird auch als Nebelbereich bezeichnet. Deshalb sind Systeme so konstruiert, dass wenn die Eigenschaften der die Kühltürme verlassenden Luftmassen und die Eigenschaften der Umgebungsluftmassen vermischt werden, keine sichtbaren Abluftfahnen bei gegebenen Konstruktionsbedingungen auftreten werden.
Durch Nutzung des Luft-Luft-Wärmetauschers 10, 1, der vorliegenden Erfindung wird das übliche Verfahren durch Reduzierung des Feuchtigkeitsgehaltes des Luftstroms vom Verdampfungsabschnitt und der Vorhaltung einer Quelle warmer trockener Hitze modifiziert, um die Abluftfahne zu reduzieren. Die Reduzierung der Feuchtigkeit der warmen feuchten Luftströmung ist eine Reduzierung in der absoluten Feuchtigkeit des Luftstromes. Der Wassergehalt der Luft vom Verdampfungsabschnitt des Kühlturms wird durch Nutzung des Luft-Luft-Wärmetauscher, wie oben beschrieben, reduziert. Die Quelle der warmen trockenen Luft ist die Umgebungsluft, welche im Wärmetauscher von dem Kaltluftdurchgang erhitzt wird.
Das Abluftfahnen-Verminderungsverfahren mit dem Luft-Luft-Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung ist im psychrometrischen Diagramm der 5 dargestellt. Da die vom Kühlturmverdampfungsabschnitt 40 austretende Luft den Wärmetauscher durchströmt, werden die Temperatur und der Feuchtigkeitsgehalt 50 reduziert. Die Umgebungsluft 42 wird im gegenüberliegenden Durchgang so erhitzt, dass sie einen wärmeren trockenen Luftstrom 42 ergibt. Die zwei Luftströme werden so zusammengemischt, dass eine resultierende Luftmasse 54 unterhalb der Sättigungskurve gebildet wird. Wenn die Umgebungsluftmasse 42 mit der Luftmasse von der Mischung der zwei Luftströme 54 im Kühlturm vermischt wird, überschneiden sich die Eigenschaften nicht in den Übersättigungsbereich der Kurve oder den Nebelbereich hinein. Dies wird durch eine die Umgebungsluftmasse 42 und die vermischte Luftmasse 54 im psychrometrischen Diagramm verbindende Linie 56 dargestellt.
Das vorangehend beschriebene Verfahren zur Abluftfahnen-Verminderung ist sehr effektiv in der Reduktion der Abluftfahnen, da Feuchtigkeit, welche eine Abluftfahne bilden könnte, teilweise vom Turm entfernt wird, bevor sie in die umgebenden Umgebungsbedingungen eintritt. Das Verfahren ist auch weniger kompliziert, weil dabei kein Wasser im Wärmetauschersystem benutzt wird. Da kein Wasser im Wärmetauscher benutzt wird, beseitigt es den Aufwand der Anordnung eines weiteren Rohrsystems für den Kühlturm.
Kühlturmgestaltungen
Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Kühlturms 58, in der der oben beschriebene Wärmetauscher eingesetzt wird, ist in 6 dargestellt. In dieser Ausgestaltung ist der Wärmetauscher 10 über dem Verdampfungsmittel 60 in einer Gegenstromanordnung angeordnet. Diese Platzierung des Wärmetauschers würde am Besten für die Wasserkonservierungs- und Abluftfahnen-Verringerungsanordnungen geeignet sein. Das Verfahren, welches in diesem Kühlturm eingesetzt wird, ist wie unten beschrieben.
Heißes Wasser von der Wärmequelle wird durch eine Leitung mit Sprühköpfen 62 gepumpt und über die Verdampfungsmittel 60 gesprüht. Ein Axiallüfter (oder eine Mehrzahl von Lüftern) 64 unterstützt die Luftströmung kalter Umgebungsluft 66 durch das Verdampfungsmittel. Im Verdampfungsmittel 60 wird die Luft erhitzt, und Feuchtigkeit wird in die Luftströmung verdampft. Die erhitzte wassergeladene Luft wird dann durch Luftströmungsdurchgänge 14 des Wärmetauschers 10 geleitet. Umgebungsluft 68 wird auch durch separate Durchgänge 16 des Wärmetauschers rechtwinklig zur Strömung der erhitzten wassergeladenen Luft geleitet. Die kalte Umgebungsluft 68 erzeugt eine kalte Ober fläche auf dem Wärmetauscher 10, damit der Dampf darauf kondensiert. Das Kondensat 15 wird vom Wärmetauscher zurück in die Hauptwassersammelfläche des Kühlturms fallen. Die Kondensattropfengröße wird in den Figuren der Übersichtlichkeit wegen übertrieben. Die zwei Luftströme 70, 72 welche den Wärmetauscher 10 verlassen, werden nahe dem Lüftereinlass kombiniert.
Der Luft-Luft-Wärmetauscher 10 wird, wenn er in einen Kühlturm eingebaut ist, einen Widerstand am Lüfter 64 erzeugen. Der erhöhte Widerstand wird es notwendig machen, dass die Leistung des Lüfters 64 vergrößert wird, um dieselbe Durchflussrate durch den Kühlabschnitt bei Zufügen des Wärmetauschers 10 zu halten. Wie in 7A und 7B dargestellt, könnten im Turm angeordnete Entlüfterklappentore, während der Betriebszeiten, wenn mehr Kühlturmleistung notwendig ist, geöffnet werden. Wenn diese Tore 74 geöffnet werden, wird eine beachtliche Menge Luft den Wärmetauscher 10 umgehen und direkt in den Lüfter 64 eintreten. Dies wird den durch den Wärmetauscher 10 erzeugten Luftwiderstand reduzieren und die Menge an Luft, welche durch das Kühlturmmittel 60 strömt, vergrößern. Durch Vergrößerung der Luftströmung durch das Mittel 60 wird die Leistung des Kühlturms steigen. Allerdings werden die Wasserkonservierungs-, Wasserreinigungs- und Abluftfahnenverringerungsverfahren unterbrochen, wenn der Wärmetauscher 10 umgangen wird.
Eine alternative Ausführung der Tore ist in den 8A und 8B dargestellt. In dieser Ausgestaltung stellen die Tore 76 nicht nur ein Verfahren zur Verfügung, um der warmen feuchten Luft das Umgehen des Wärmetauschers 10 zu ermöglichen, sondern stellen auch einen Weg zur Verfügung, um die kalte Seite des Wärmetauschers abzusperren. Im Endeffekt entstehen Drosseltore.
Ein weiteres Verfahren zur Verringerung des Widerstandes in dem Wärmetauscher 10 besteht darin, die Durchflussfläche des Wärmetauscher-Packs zu vergrößern. Wie in 9 dargestellt, ist ein Teil der Durchflussfläche von dem Kühlturmmittel blockiert, damit zwei verschiedene Luftströme (warme feuchte Luft und kalte Umgebungsluft) durch den einzigen Lüfter 64 eines Kühlturmes strömen können. Weil ein Teil der Durchflussfläche blockiert ist, muss die Geschwindigkeit des Luftstromes entsprechend erhöht werden. Diese erhöhte Geschwindigkeit des Flusses erzeugt beim Durchgang durch den Wärmetauscher 10 mehr Widerstand. Um den Widerstand zu verringern, kann die Durchflussfläche des Wärmetauschers durch den Umfang der Blockierung erweitert werden. In dieser Anordnung kragt der Wärmetauscher-Pack 10 eigentlich über das Kühlturmmittel 60 aus. Dies verringert die Geschwindigkeit der warmen feuchten Luft durch den Wärmetauscher und verringert den Druckabfall in der Anlage.
Wie in 10 dargestellt, besteht eine dritte Art und Weise zur Anordnung des Wärmetauschers 10 darin, den Wärmetauscher-Pack 10 nach oben 80 in Richtung auf den Lüfter 64 zu neigen.
Diese Anordnung würde eine vergrößerte Durchflussfläche für den Wärmetauscher schaffen und den Druckabfall, wie vorstehend beschrieben, verringern. Diese Anordnung würde auch einen verbesserten Luftweg für die auf dem nach innen gerichteten Bereich 68 des Wärmetauschers 10 (Kaltweg) strömende Luft schaffen, da der Auslass des Weges näher zum Lüfter 64 angeordnet ist. Der verbesserte Luftweg wird zu einem geringeren Widerstand und Druckabfall für die Kaltseite des Wärmetauschers führen. Neigen des Wärmetauschers 10 kann auch bewerkstelligt werden, ohne dass der Wärmetauscher 10 über das Kühlturmmittel 60 auskragt.
In der Anordnung von 11 wurde die Länge des Wärmetauscher-Packs 10 in den oberen Abschnitten 82 verringert. In dieser Anordnung wird der Druckabfall der Anlage verringert, weil es für die warme feuchte Luft weniger Wärmetauschermittel zum Durchtritt gibt. Sie wird auch eine bessere Mischung des feuchten Luftstroms und des trockenen Luftstroms herbeiführen. Die Mischung der zwei Luftströme ist in dem Abluftfahnen-Verminderungsverfahren wichtig, um sicherzustellen, dass warme feuchte Luft sich nicht mit der kalten Umgebungsluft mischt und einen Nebel bildet. Ebenso können die unteren Bereiche 84 des Wärmetauscher-Packs 10; wie in 12 dargestellt, verringert werden, um den Druckabfall zu verringern.
In einer alternativen Ausführungsform des Kühlturmes ist das Gegenstrom-Verdampfungsmittel, wie in 13 dargestellt, durch ein Querstrommittel 86 ersetzt. Das Wärmetauschermittel 10 ist auf dem Weg des austretenden feuchten Luftstroms in dem Verteilerkanal des Querstrom-Kühlturmes angeordnet. Die Platzierung des Wärmetauschers 10 und des Verdampfungsmittels 86 in dieser Anordnung wäre für die Wasserreinigungs- und Abluftfahnen-Verminderungsverfahren am günstigsten. Der Betrieb dieses Kühlturmes erfolgt wie unten beschrieben.
Heißes Wasser von der Wärmequelle wird zur Wasserverteilungsanlage 88 gepumpt und über dem Querstrom-Verdampfungsmittel 86 verteilt. Ein axialer Lüfter 64 unterstützt den Luftstrom der Umgebungsluft 90 durch das Verdampfungsmittel 86 und durch das einwärts gerichtete Paneel 16 des Wärmetauschers 10. Luftströmungen, die aus dem Verdampfungsmittel 86 austreten, werden aufwärts durch das auswärts gerichtete Paneel 14 des Dampf-Kondensationsmittels (Wärmetauscher) 10 geleitet. Die kalte Umgebungsluft 90 kondensiert den Dampf auf dem auswärts gerichteten Paneel. Das Kondensat fällt von dem Wärmetauscher in das Reservoir 92 zurück, wo es für andere Zwecke gesammelt oder in das Wasser-Hauptzirkulationssystem zurückgeführt werden kann. Die Luftströme 94, 96 von dem einwärts gerichteten Paneel als auch dem auswärts gerichteten Paneel werden in der Nähe des Gebläseeinlasses vereinigt.
Es soll im Weiteren vorausgesetzt werden, dass die in 7A, 7B, 8A und 8B für Gegenstrom-Kühltürme gezeigten Türen 74 und 76 leicht in Querstrom-Kühlturmanordnungen eingebaut werden können. Weiterhin kann die Neigung des Wärmetauscher-Packs 10 und die Stufenanordnung des Wärmetauscher-Packs 10, die in 10, 11 und 12 für Gegenstrom-Kühltürme gezeigt ist, einfach in Querstrom-Kühltürme eingebaut werden.
Während des Betriebes der Anlage als eine Wasserreinigungs- oder Wasserentsalzungsanlage könnte die Umgebungstemperaturen nicht kalt genug sein, um den gewünschten Ausstoß von sauberem Wasser aus dem Kondensationsprozess bereitzustellen. Um den Ausstoß von reinem Wassers aus dem Wärmetauscher 10 zu erhöhen, kann eine zweite Anlage erforderlich sein, um die Temperatur des in die Kaltseite des Wärmetauschers 10 eintretenden Wassers zu verringern. Wie in 14 gezeigt, kann eine weitere Reihe von Kühlturm-Wärmeübertragungsmitteln 98 vor dem Kaltseiteneinlass des Wärmetauschers 10 angeordnet sein. Das Kühlturmmittel 98 würde mit kaltem Wasser besprüht werden, um die eintretende Luft abzukühlen. Eine mögliche Quelle für das kalte Wasser kann ein Meer oder ein anderer großer Wasservorrat sein, der kälter als der Umgebungs-Taupunkt ist. Wenn die Kühlgrenztemperatur niedrig ist, muss die Kaltwasserquelle nicht notwendigerweise erheblich kälter als der Umgebungs-Taupunkt sein. Die Luft würde dann in das Kühlturmmittel eintreten und die Temperatur der Luft vor dem Eintritt in die Kaltseite des Wärmetauschers verringert werden.
In einer in 15 dargestellten alternativen Ausführungsform wird ein Röhren-Wärmetauscher 100 verwendet, um den aus dünnen Kunstharzplatten bestehenden Pack 10 zu ersetzen. Dieser Röhren-Wärmetauscher wird thermodynamische Eigenschaften wie der aus dünnen Kunstharzplatten bestehende Pack 10 aufweisen. Wie der vorher beschriebene Wärmetauscher können die Röhren 102 des Röhren-Wärmetauschers aus einem dünnen synthetischen Material oder eventuell aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie zum Beispiel einem galvanisierten Ofenrohr, hergestellt sein. Diese Röhren 102 würden an einer Platte 104 mit Löchern befestigt werden, so dass die in den Röhren 106 strömende kalte Umgebungsluft von der über die Röhren 108 strömenden warmen feuchten Luft getrennt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Röhren 102 einen Durchmesser von 6 Inch. Die Kühlturmanordnungen, die mit diesem Typ von Wärmetauscher 100 verwendet werden, sind dieselben wie die vorher gezeigten.
In einer alternativen Ausführungsformen des Kühlturmes für Gegenstrom- (16) und Querstromanlagen (17) kann Umgebungsluft von außen zu den im Verteilerkanal angeordneten Wärmetauscher-Packs durch einen oder mehrere Kanäle 110 geleitet werden. Die Packs würden typischerweise in einem Diagonalmuster gestaffelt sein. In diesem Muster sind die Packs nicht direkt übereinander gestapelt, was den gesamten Druckabfall in der Anlage verringert. Diese Ausführungsform ver ringert die Gesamtzahl an erforderlichen Wärmetauschern 10 durch Liefern von kalter Umgebungsluft zu jedem Wärmetauscherabschnitt, wodurch eine maximale Wärmeübertragung in jedem Wärmetauschabschnitt erzeugt wird. In dieser Anordnung führt die Geometrie durch Vermischung der beiden Luftströme zu einer besseren Mischung. Dies wird die Abluftfahnen-Verminderung unterstützen.
Gas-Gas-Wärmetauscher, die Wärme zwischen zwei verschiedenen Gasströmen übertragen, werden häufig bei industriellen und Energieerzeugungs-Verfahren verwendet. Ein Typ eines Gas-Gas-Wärmetauschers wird als Rippenplatten-Wärmetauscher bezeichnet. Diese Wärmetauscher sind üblicherweise aus Metall gefertigt und bestehen aus einer dünnen Platte, die durch ein Folge von gewellten Platten getrennt ist. Die gewellte Platte dient der strukturellen Abstützung des Wärmetauschers und einer erhöhten Wärmeübertragung durch Veränderung der Flussstruktur in der Grenzschicht und einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit der Trenn(rippen)platte. Die Trennplatte, auch als die Teilungsplatte bekannt, trennt die beiden Luftströme und überträgt die Wärme zwischen den beiden Gasströmen durch Wärmeleitfähigkeit. Siehe „Process Heat Transfer", Hewitt, Shires und Bott, CRC Press, Inc. 1994.
Ein Vorteil des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung ist sein geringeres Gewicht. Für die in 16 gezeigte bevorzugte Ausführungsform beträgt das Betriebsgewicht für einen Turm mit 6 Fuß-Schächten ungefähr 1100 lbs. Das Betriebsgewicht eines äquivalent arbeitenden Kunststoff-Wärmetauschers, wie zum Beispiel der des Kinney '094-Patentes, beträgt ungefähr 2200 lbs. Weiterhin konzentriert die '094-Erfindung das Gewicht bei den Außensäulen, wohingegen das Gewicht das Wärmetauschers in 16 über 3 Schächte verteilt ist. Dies reduziert die auf einzelnen Säulen ruhende Last. Geringeres Gewicht oder Masse ist auch für eine seismische Auslegung wünschenswert.
Die vorliegende Erfindung bringt einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber konventioneller Abluftfahnen-Verminderung und eine Wassereinsparung mit sich. Wie vorher erwähnt, vermeidet der Luft-Luft-Wärmetauscher den Aufwand für das Pumpen von heißem Wasser zu dem Trockenabschnitt des Kühlturmes. Es wird nicht nur der Aufwand für das Pumpen vermieden, sondern auch der zusätzliche Aufwand für das Pumpen des Wassers über den Trockenabschnitt. Die Lüfter erfahren jedoch wegen des Ziehens des feuchten Luftstromes durch den Luft-Luft-Wärmetauscher einen Anstieg des statischen Drucks. Die vorliegende Erfindung erfordert ungefähr dieselbe Energie im Vergleich zu konventionellen 2-Wege-Wendeln mit einer Siffonkrümmung zur Verringerung der Fallhöhe oder weniger Energie im Vergleich zu 1-Weg-Wendeln oder der Erfindung von Kinney in '094. Für den letzten Fall kann die gesamte Energieeinsparung sich auf ungefähr 15 Fuß Fallhöhe belaufen, was für einen Turmfluss von 200000 gpm ungefähr 900 Pferdestärken ist. Bei 0,03 $/kw-hr ist dies eine Einsparung von ungefähr 175.000 $ pro Jahr.
Wichtiger als die Energieeinsparungen sind die Kosteneinsparungen bei der Instandhaltung und der erforderlichen Wasserqualität. Wendeln weisen typischerweise Röhren mit einem Durchmesser von 1 Inch bis 1,25 Inch auf. Größere Röhren sind für die erforderliche Wärmeübertragung typischerweise nicht ausreichend. Die Wasserqualität muss ausreichend sein, um eine Verkrustung und Verstopfung der Röhren zu verhindern. Im Falle von Seewasser oder Salzwasser müssen die konventionellen gerippten Röhren aus hochwertigen Materialien gefertigt sein. Dies kann dadurch vermieden werden, dass der Kunststoff-Wärmetauscher, wie durch Kinney in '094 beschrieben, auf dessen Offenbarung hier Bezug genommen wird, verwendet wird. Jedoch sind die Wasserdurchlässe des Wärmetauschers in Kinney '094 einschränkender als Wendeln. Wenn die Wasserqualität nicht ausreichend ist, muss eine Filtration und oder chemische Behandlung angewendet werden, um die Wasserqualität zu verbessern und aufrecht zu erhalten. Dies kann teuer sein. Die vorliegende Erfindung vermeidet die Kosten der Verbesserung und Aufrechterhaltung der Wasserqualität. Die Feuchtigkeit in dem feuchten Luftstrom ist nahezu rein, wodurch der Luft-Luft-Wärmetauscher nicht verkrustet. Eine geringere Wasserqualität, als man bisher für Abluftfahnen-Verminderung oder Wassererhaltung für möglich gehalten hat, kann mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Auch können einige Kühlturmanwendungen Wasser mit Ablagerungen aufweisen, die größer als die Wärmetauscher-Durchgänge sind, welche die Durchgänge verstopfen würden. Ein Beispiel ist eine „Einmal durch"-Kraftwerksanwendung, bei welcher Wasser aus einem Fluss oder einem anderen Wasservorrat entnommen, durch Durchlauf durch den Kühler erwärmt und dann zu einem Kühlturm befördert wird, bevor es in den Wasservorrat zurückgeleitet wird. Der Nass-Abschnitt des Kühlturmes kann Spritzfüll- und Wasserverteilungsdüsen mit großer Öffnung aufweisen, wie zum Beispiel in dem dem vorliegenden Anmelder erteilten U.S.-Patent 4,700,893 beschrieben. Die '893-Erfindung wurde mit Öffnungen von 1,875 Inch und 2,5 Inch Durchmesser kommerzialisiert, die theoretisch größer sein könnten. Deshalb kann Wasser mit Ablagerungen, die größer sind, als bisher für möglich gehalten wurde, zur Abluftfahnen-Verminderung verwendet werden.
Der Nass-Abschnitt des Kühlturmes kann Spritzfüll- und Wasserverteilungsdüsen mit großer Öffnung aufweisen, wie zum Beispiel durch Bugler in dem U.S.-Patent 4,700,893 offenbart, auf dessen Offenbarung hier Bezug genommen wird. Auf diese Weise werden Kosten für die Wartung von Verkrustungen und Verbesserungen der Wasserqualität vermieden. Dies kann für einen großen Kraftwerksturm eine wirtschaftliche Auswirkung von 1.000.000 $ oder mehr pro Jahr haben.
Schließlich sind die anfänglichen Investitionskosten der vorliegenden Erfindung geringer als die des Stands der Technik. Abluftfahnen-Verminderungstürme kosten typischerweise das 2- bis 3-fache eines konventionellen Nass-Turmes. Für eine große Kraftwerkseinrichtung kann der Abluftfahnen- Verminderungsturm 6.000.000 $ oder mehr kosten. Die Einsparungen der vorliegenden Erfindung können 1.000.000 $ oder mehr gegenüber konventioneller Wendel-Technologie betragen.
Für die Entsalzung betragen die Kosten pro 1000 Gallonen Wasser ungefähr 1,50 $ im Vergleich zu 4 $ für eine mehrstufige Blitz-Entsalzung und 3 $ für Umkehrosmose. Die vorliegende Erfindung erfordert eine zweite Behandlung, um trinkbares Wasser zu produzieren. Dies fügt ungefähr 0,50 $/1000 Gallonen hinzu. Für eine Anlage, die 5 Millionen Gallonen pro Tag produziert, kann dieses Verfahren 5000 $ bis 7500 $ pro Tag oder ungefähr 2.000.000 $ pro Jahr einsparen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Abluftfahnen-Verminderung kostenlos als ein Nebenprodukt in für die Entsalzung ausgelegten Türmen bereit. Durch Einsatz dieser Erfindung kann alternativ für Kühlturm-Anwendungen, die eine Abluftfahnen-Verminderung erfordern, die Entsalzung, bei sehr geringen Kosten für das Sammeln, ein Nebenprodukt sein. Die zahlreichen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich, weshalb durch die angefügten Ansprüche beabsichtigt wird, alle derartigen Merkmale und Vorteile der Erfindung abzudecken, welche in den wahren Geist und Umfang der Erfindung fallen. Da ferner zahlreiche Modifikationen und Variationen für den Durchschnittsfachmann auf einfache Weise erfolgen können, ist es nicht gewünscht, die Erfindung auf den dargestellten und beschriebenen genauen Aufbau und Betrieb zu beschränken, und entsprechend kann auf alle passenden Modifikationen und Äquivalente zurückgegriffen werden, die in den Umfang der Erfindung fallen.
Was beansprucht wird ist:
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Wärmetauscher-Packs (10) mit einer ersten Reihe von Durchgängen (14) zur Aufnahme eines Umgebungsluftstroms und einer zweiten Reihe von Durchgängen (16) zur Aufnahme eines Stroms warmer, wasserbeladener Luft beschrieben. Die erste Reihe von Durchgängen (14) und die zweite Reihe von Durchgängen (16) sind getrennt und ermöglichen, dass die warme, wasserbeladene Luft durch den Umgebungsluftstrom gekühlt wird, so dass Wasser aus dem Strom warmer, wasserbeladener Luft auskondensieren kann. Kühlturmanordnungen, die das Wärmetauscher-Pack enthalten, werden beschrieben, um eine Abluftfahnen-Verminderung zu erreichen, und die einen Teil des austretenden Mediums in das Kühlturmreservoir als Ersatz zurückführen oder als Quelle gereinigten Wassers.

Claims

Verfahren zur Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts eines Luftstroms, welches die Schritte umfasst: – Lenken eines ersten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer relativen Feuchtigkeit von oder über 90 durch eine erste Reihe von Durchgängen, – Lenken eines zweiten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer Taupunkttemperatur von zumindest 5 °F unter dem zweiten Luftstrom durch eine zweite Reihe von Durchgängen, wobei jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen von zumindest einem Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen durch ein dünnes, wärmeleitendes Material getrennt ist, – Absorbieren von Wärme aus dem zweiten Luftstrom in den ersten Luftstrom und – Auffangen von Wasser, welches aus dem zweiten Luftstrom auskondensiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Lenkens eines ersten Luftstroms und der Schritt des Lenkens eines zweiten Luftstroms durch Verwenden einer einzigen Vorrichtung zum Lenken der Luft erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zum Lenken der Luft ein Lüfter ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Druck innerhalb jedes ersten Durchgangs und jedes zweiten Durchgangs zwischen + 6 Millibar und – 6 Millibar liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Druck innerhalb jedes ersten Durchgangs und jedes zweiten Durchgangs zwischen + 3 Millibar und – 3 Millibar liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Luftstrom aus der Abluft eines Kühlturms erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Luftstrom aus der Umgebungsluft außerhalb des Kühlturms erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner den Schritt umfasst, das aufgefangene Wasser zum Speicher des Kühlturms zurückzuführen.
Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner den Schritt umfasst, das aufgefangene Wasser aufzubereiten.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Aufbereitens des aufgefangenen Wassers durch einen Umkehrosmoseprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Reihe von Durchgängen durch zylindrische Röhren gebildet wird und wobei die zweite Reihe von Durchgängen aus den Freiräumen um die zylindrischen Röhren besteht.
Vorrichtung zur Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts eines Luftstroms, welche umfasst: – Mittel zum Absorbieren der Wärme aus einem ersten Luftstrom in einen zweiten Luftstrom, wobei das Absorptionsmittel eine erste Reihe von Durchgängen und eine zweite Reihe von Durchgängen aufweist, – Mittel zum Lenken eines ersten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer relativen Feuchtigkeit von oder über 90 % durch eine erste Reihe von Durchgängen des Absorptionsmittels und zum Lenken eines zweiten Luftstroms mit einer Durchflussrate zwischen 10 und 80 Pfund trockener Luft pro Quadratfuß pro Minute (pda/ft²/min) und einer Taupunkttemperatur von zumindest 5 °F unter dem zweiten Luftstrom durch die zweite Reihe von Durchgängen des Absorptionsmittels, wobei jeder Durchgang der ersten Reihe von Durchgängen von zumindest einem Durchgang der zweiten Reihe von Durchgängen durch ein dünnes, wärmeleitendes Material getrennt ist, – Mittel zum Auffangen von Wasser, welches aus dem zweiten Luftstrom kondensiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Druck innerhalb jedes ersten Durchgangs und jedes zweiten Durchgangs zwischen + 6 Millibar und – 6 Millibar liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste Luftstrom aus der Abluft eines Kühlturm erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, welche ferner Mittel umfasst, um das aufgefangene Wasser zum Speicher des Kühlturms zurückzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, welche ferner Mittel umfasst, um das aufgefangene Wasser aufzubereiten.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Mittel zum Aufbereiten des aufgefangenen Wassers einen Umkehrosmoseprozess durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Reihe von Durchgängen durch zylindrische Röhren gebildet wird und wobei die zweite Reihe von Durchgängen aus den Freiräumen um die zylindrischen Röhren besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste Reihe von Durchgängen und die zweite Reihe von Durchgängen durch Übereinanderlegen dünnen Platten gebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 19, welcher ferner positiv aufgestellte Kanten entlang zweier paralleler Kanten des dünnen Plattenmaterials und negativ aufgestellte Kanten entlang der zwei parallelen Kanten der dünnen Platten umfasst, welche senkrecht zu den Kanten stehen, welche die positiv aufgestellten Kanten aufweisen, wobei der erste Durchgang gebildet wird, indem zwei Platten umgedreht werden und die positive aufgestellten Kanten auf einer Seite verbunden werden und die positiv aufgestellten Kanten auf der anderen Seite verbunden werden, und die zweiten Durchgänge gebildet werden, indem zwei Platten umgekehrt werden und die negativ aufgestellten Kanten auf der einen Seite verbunden werden und die negativ aufgestellten Kanten auf der anderen Seite verbunden werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei die ersten Durchgänge senkrecht zu den zweiten Durchgängen ausgerichtet werden können, indem abwechselnd die negativ aufgestellten Kanten und die positiv aufgestellten Kanten in einer Reihe der dünnen Platten verbunden werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 21, welcher ferner positiv und negativ ausgebildete Knöpfe in den dünnen Platten umfasst, um die Durchgänge unter Differenzdruck zwischen den ersten und zweiten Durchgängen offen zu halten.
Wärmetauscher nach Anspruch 22, wobei die positiv ausgebildeten Knöpfe auf einer ersten Platte gegen die positiv ausgebildeten Knöpfe auf einer ersten angrenzenden Platte drücken und die negativ ausgebildeten Knöpfe gegen die negativ ausgebildeten Knöpfe auf einer zweiten angrenzenden Platte drücken.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, wobei die positiv ausgebildeten Knöpfe so gestaltet sind, dass der Widerstand gegen die Strömung des ersten Luftstroms in eine erste Richtung verringert wird, und die negativ ausgebildeten Knöpfe so gestaltet sind, dass der Widerstand gegen die Strömung des zweiten Luftstroms in eine zweite Richtung verringert wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 24, wobei die dünnen Platten aus einem Kunstharzfilm hergestellt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 25, wobei die dünnen Platten aus PVC hergestellt sind.