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Die
Erfindung betrifft einen luftbeaufschlagten Trockenkühler zum
Kondensieren von Wasserdampf gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Es
ist Stand der Technik, Abdampf aus einer Dampfturbine mit einem
luftgekühlten
Kondensator zu kondensieren. Dabei strömt der Abdampf aus der Turbine
durch eine Abdampfleitung und tritt in aus Rippenrohren gebündelte Kühlelemente,
sogenannte Rippenrohrbündel
ein, in denen der Dampf kondensiert wird. Das Kondensat wird in
den Speisewasserkreislauf zurückgeführt. Die
Rippenrohre stehen innenseitig unter Vakuum, wobei die nicht kondensierbaren
Gase abgesaugt werden. Der Kühlluftstrom
wird im allgemeinen mit Ventilatoren erzeugt. Die Trockenkühler werden
nach dem Baukasten prinzip zusammengesetzt, wobei die Dachbauweise
(A-Anordnung) am weitesten verbreitet ist. Hierbei bilden die Kühlelemente
die Schenkel eines Dreiecks, an dessen Basis die Ventilatoren angeordnet
sind. Hierzu sind die Kühlelemente
auf einer Plattform angeordnet, die von einer Unterkonstruktion
aus Stahl oder Beton getragen wird. In der Plattform sind die Ventilatoren
angeordnet, welche die Umgebungsluft als Kühlluft ansaugen und über die
Außenflächen der
Rippenrohre drücken.
Die Kühlluft
nimmt dabei die Kondensationswärme
des kondensierenden Wasserdampfs auf und verlässt als warme Abluft die Rippenrohrbündel auf
der Außenseite
die Anordnung.
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Nachteilig
bei dieser Anordnung ist der sehr komplizierte Strömungsweg
der Luft, welcher durch Verwirbelungen, zahlreiche Umlenkungen sowie
ständige
Beschleunigung und Verzögerung
der Luftströmung
zu einem hohen Maß an
sogenannten Sekundärverlusten
führt.
Diese Sekundärverluste
sind nur durch eine hohe statische Pressung des zu fördernden
Luftvolumens kompensierbar, was mit einem hohen Energiebedarf für die Ventilatoren
verbunden ist.
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Ein
weiterer Nachteil der drückenden
Anordnung ist die Schräganströmung im
Ventilatoreintritt, wodurch der statische Wirkungsgrad des Ventilators
gegenüber
einer idealen vertikalen Anströmung
um einige Prozentpunkte zurückgeht.
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Bei
drückend
angeordneten Ventilatoren entstehen beim Austritt der Kühlluft aus
dem Ventilatorlaufring und beim anschließenden Eintritt in den Dachraum
unterhalb der Rippenrohrbündel
starke Turbulenzen in der Luftströmung. Diese führen zu
einer sehr ungleichmäßigen Luftverteilung
auf der Anströmseite
der Rippenrohrbündel.
Das führt
wiederum zu einem Effizienzverlust der Wärmeübertragung bei der Kondensation.
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Im
Stand der Technik sind beispielsweise aus dem Bereich der chemischen
Industrie drückende
und saugende Prozesskühlanordnungen
bekannt. Auch werden Wasserkühler
in der häufigsten
Form saugend betrieben. Hierbei kann der Ventilator unmittelbar
an einem Kühlelement
angeordnet sein, so dass eine senkrechte Anströmung der Rippenrohre erfolgt.
Es ist auch möglich,
dass von mehreren im Abstand zueinander angeordneten Kühlelementen
eine Kammer ausgebildet wird, an deren Oberseite der Ventilator
angeordnet ist. Kalte Kühlluft
wird dabei quer angesaugt, durchströmt die Kühlelemente und wird nach einer
Umlenkung um 90° vertikal
nach oben abgeführt.
Auch V-förmige
Anordnungen der Kühlelemente
sind bekannt. Bei Wasserkühlern
greift man auf eine saugende Anordnung zurück, weil die Temperaturgradienten
des sich abkühlenden Wassers
und der sich erwärmenden
Kühlluft
relativ flach verlaufen und die Temperaturdifferenz daher relativ gering
ist. Dadurch ist auch die durch die thermische Ausdehnung bedingte
Zunahme des Volumenstroms relativ gering. Das Volumen der Kühlluft nimmt
bei den üblichen
Temperaturdifferenzen zwischen Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur
ungefähr
um 2 % und 4 % zu. Dahingegen ist die Temperaturdifferenz des Kühlluftstroms
bei Oberflächenkondensatoren
erheblich größer. Folglich
ist das Volumen des erwärmten
Kühlluftstroms
ebenfalls größer. Bei
Oberflächenkondensatoren
müsste
ein um 8 % größeres Fördervolumen
von einem Ventilator bewältigt
werden, der statt kalter Umgebungsluft erwärmte Abluft fördern muss.
Folglich wird bei Oberflächenkondensatoren
zum Kondensieren von Wasserdampf grundsätzlich eine drückende Anordnung
bevorzugt, wobei die dabei erforderliche erhöhte statische Pressung des
zu fördernden
Luftvolumens in Kauf genommen wird.
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Aus
der DE-AS 1 263 789 ist bereits ein luftgekühlter Oberflächenkondensator
in V-Bauweise bekannt, bei welchem Kühlelemente und ein Ventilator
ein etwa gleichschenkliges Dreieck bilden. Diese Anordnung ist strömungstechnisch
nicht optimal, da die Kühlluft
an der Abströmfläche der
Kühlelemente
stark umgelenkt werden muss.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen luftbeaufschlagten
Trockenkühler zum
Kondensieren von Wasserdampf aufzuzeigen, welcher bei gleich bleibender
Kühlleistung
und gleich bleibendem Ventilatorwir kungsgrad den Einsatz von Ventilatoren
mit geringerem Kraftbedarf ermöglicht,
und eine kleinere Bauweise bei einhergehender Materialreduzierung
zulässt.
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Diese
Aufgabe ist bei einem Trockenkühler
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In
Abkehr von der üblichen
A-Form oder auch Dachbauweise mit drückender Anordnung ist bei dem erfindungsgemäßen Trockenkühler eine
V-förmige
Anordnung der Kühlelemente
vorgesehen, wobei die Kühlluft
von wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Ventilatoren durch
die Kühlelemente
hindurch gesaugt wird. Zusätzlich
sind die Kühlelemente
im rechten Winkel zueinander angeordnet. Jedes Kühlelement ist um 45° gegenüber der
Horizontalen geneigt. Das ermöglicht
eine optimale Anströmung
bei minimaler Umlenkung und reduzierter Bauhöhe. Eine solche Anordnung hat
hinsichtlich der Energiebilanz entscheidende Vorteile, da weitaus
weniger Umlenkungen des Kühlluftstroms
erforderlich sind als bei der drückenden
Anordnung. Dadurch ist ein gleichmäßigerer Geschwindigkeitsverlauf
der Kühlluft
möglich.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die wenigstens zwei, vorzugsweise drei
Ventilatoren zwischen den Dampfverteilerleitungen angeordnet sein
können,
so dass allein aufgrund der Positionierung der Ventilatoren eine Luftansaugung
von unten und eine Luftabgabe nach oben möglich ist, ohne dass die gesamte
Anordnung auf einem erhöhten
Stahlgerüst
montiert sein muss. Die Bauhöhe
ist insgesamt durch die Neigung der Kühlelemente um 45° niedriger
als bei der A-Form und anderen bekannten V-Formen, woraus zusätzliche
Einsparungen im Stahlbau resultieren. Während bei realisierten Trockenkühlern Bauhöhen von
16 m nicht unüblich
sind, kann die Bauhöhe
bei der erfindungsgemäßen Anordnung
um wenigstens ein Drittel reduziert werden. Es ist sogar eine Reduzierung
der Bauhöhe
um 50 % im Rahmen der Erfindung möglich. Diese Reduzierung der Bauhöhe ergibt
sich sowohl, wenn die Kühlelemente
V-förmig auf
dem Boden stehend angeordnet sind als auch bei Anordnungen, bei
denen die Kühlelemente
V-förmig
in einem Stahlgerüst
hängend
angeordnet sind.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in schematischen Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
und Diagramme erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Trockenkühlers
in A-Form bzw. Dachbauweise;
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2 eine schematische Darstellung
des erfindungsgemäßen Trockenkühlers;
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3 ein Diagramm, das die
Luftgeschwindigkeit an verschiedenen Orten eines Trockenkühlers in Dachbauweise
zeigt;
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4 in der Darstellungsweise
der 3 die Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisse
bei dem erfindungsgemäßen Trockenkühler und
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5 und 6 eine Gegenüberstellung der Druckverluste
bei einem Trockenkühler
in A-Bauweise und in V-Bauweise.
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1 zeigt einen Trockenkühler 1 in
V-Bauweise, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Der Trockenkühler 1 ist
auf einem Stahlgerüst 2 montiert,
so dass kalte Kühlluft
seitlich in horizontaler Richtung unter dem Trockenkühler 1 in
das Stahlgerüst 2 einströmen kann.
Der Kühlluftstrom
wird in seinem weiteren Verlauf von dem Ventilator 3 angesaugt
und hierbei um 90° in
Richtung der vertikal orientierten Einströmöffnung bzw. des Ventilatorlaufrings 4 umgelenkt.
Der Kühlluftstrom
tritt in das Innere des von dem Ventilator 3 und den V-förmig angeordneten
Kühlelementen 5, 6 begrenzten
Raums des Trockenkühlers 1 in
vertikaler Richtung ein und strömt
die nicht näher
dargestellten Rippenrohre der Kühlelemente 5, 6 an.
Dabei wird der Kühlluftstrom aus
der vertikalen Richtung ein weiteres Mal umgelenkt und beim Eintritt
in die Kühlelemente 5, 6 stark
abgebremst. Die Kühlluft
wird hierbei erwärmt
und strömt
seitlich aus den Kühlelementen 5, 6 aus.
Seitlich der Kühlelemente 5, 6 angeordnete
Leitbleche 7 verhindern ein erneutes Ansaugen der erwärmten Kühlluft durch
den Ventilator 3 und leiten diese in vertikaler Richtung
nach oben. Dadurch wird der Kühlluftstrom
ein weiteres Mal umgelenkt. In der Summe ergibt sich eine Umlenkung
des Kühlluftstroms
um mindestens 180°,
was zu hohen statischen Druckverlusten innerhalb der Anordnung führt und
nur durch erhöhte
Leistung des Ventilators 3 ausgeglichen werden kann.
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Dahingegen
ist bei dem erfindungsgemäßen Trockenkühler 8,
wie er in 2 dargestellt
ist, vorgesehen, dass die bereits erwärmte Kühlluft von den Ventilatoren 9 befördert wird.
In der dargestellten Anordnung sind Kühlelemente 10, 11 V-förmig konfiguriert,
wobei sie an ihren oberen Enden mit Dampfverteilerleitungen 12 verbunden
sind und mit ihren unteren Enden an Kondensatorsammelleitungen 13 angeschlossen
sind. Die einzelnen Rippenrohre der Kühlelemente 10, 11 sind
zur Vereinfachung der Darstellungen nicht näher eingezeichnet.
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Die
nebeneinander angeordneten Ventilatoren 9 befinden sich
zwischen den Dampfverteilerleitungen 12 und bilden zusammen
mit den Kühlelementen 10, 11 ein
Dreieck. Dieses Dreieck steht mit der Spitze nach unten auf dem
Boden, so dass die gesamte Anordnung eine wesentlich niedrigere
Bauhöhe
besitzt als die Ausführungsform
der 1. Dies ist insbesondere
darauf zurückzuführen, dass
der erfindungsgemäße Trockenkühler 8 nicht
aufgeständert
montiert werden muss, da durch die oberseitige Anordnung der Ventilatoren 9 eine seitliche
Einströmung
der Kühlluft
in das Innere des Dreiecks durch die Kühlelemente 10, 11 hindurch
möglich ist.
Der horizontal angesaugte Kühlluftstrom
K wird hierbei im Bereich der Kühlelemente
um ca. 45° umgelenkt und
strömt
nach einer weiteren Umlenkung um etwa 45° der vertikalen Einströmöffnung 14 des
Ventilators 9 zu. Im Ventilatorlaufring 15 wird
die erwärmte
Kühlluft
beschleunigt und nach oben hin abgeblasen. Insgesamt ergibt sich
ein Strömungsverlauf
der Kühlluft
mit deutlich weniger Umlenkungen als bei der A-Bauweise. Die Strömungsverluste
sind dadurch wesentlich niedriger.
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3 zeigt anschaulich die
in Tabelle 1 aufgelisteten Strömungsgeschwindigkeiten
an verschiedenen Orten eins Luftkühlers in A-Bauweise.
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Es
wird deutlich, dass bei der A-Bauweise bzw. Dachform die Luftgeschwindigkeit
bei der horizontalen Einströmung
etwa bei 4 m/s liegt. Diese Geschwindigkeit wird auch bei der Umlenkung
in die vertikale Einströmung
beibehalten. Beim Eintritt in den Ventilatorlaufring nimmt die Luftgeschwindigkeit
um mehr als das Doppelte auf über
8 m/s zu, um den hohen statischen Druck innerhalb des Trockenkühlers aufzubauen.
Die Luftströmung
wird anschließend
beim Eintritt in die Kühlelemente
auf nur 2 m/s abgebremst, was mit erheblichen Strömungsverlusten
einhergeht. Zwischen den Rippen der Rippenrohrbündel ist die Luftgeschwindigkeit
aufgrund der verengten Strömungskanäle erhöht. Wegen
der nachfolgenden Querschnittsvergrößerung sinkt sie beim Austritt
wieder. Die aus den Kühlelementen
austretenden Strömungen
vereinen sich anschließend
zu einem vertikal orientierten Abluftstrom, dessen Strömungsgeschwindigkeit
bei ca. 5 m/s liegt. Es ist erkennbar, dass die Strömungsgeschwindigkeit
von einem relativ niedrigen Niveau zunächst durch Zuführung von
Energie stark angehoben wird und anschließend stark abgebremst wird,
bevor sie in Richtung der Ausströmöffnung wieder
ansteigt.
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Demgegenüber sind
die Geschwindigkeitsverhältnisse
der Kühlluftströmung bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
wesentlich gleichförmiger
und harmonischer. 4 zeigt,
dass bei der V-förmigen
Anordnung der Kühlelemente
die Luftgeschwindigkeit bei der horizontalen Einströmung etwa
bei 1,5 m/s liegt und auf etwas über
2 m/s im Bereich des Eintritts in die Kühlelemente erhöht wird.
Aufgrund der zuvor geschilderten Umstände erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit
zwischen den Rippen und sinkt nach dem Austreten etwa auf das Niveau,
wie vor dem Eintritt in die Kühlelemente.
Anschließend
werden die erwärmten
einzelnen Kühlluftströme in eine
Vertikalströmung
umgelenkt, wobei sich jedoch die im Inneren des Trockenkühlers herrschenden
Strömungsgeschwindigkeiten
nur geringfügig
erhöhen.
Erst innerhalb des Ventilatorlaufrings wird anschließend eine
höhere
Luftgeschwindigkeit gemessen, die bei etwa 6,5 m/s liegt, was im
wesentlichen einer Verdoppelung der Strömungsge schwindigkeit im Innenraum
des Trockenkühlers
entspricht. Es ist erkennbar, dass die Luftgeschwindigkeiten über den
Strömungspfad
tendenziell kontinuierlich ansteigen, wobei die Kühlluft keine
Energie verzehrende Abbremsung erfährt. Dies spiegelt sich auch
in den statischen Drücken
wieder, die innerhalb der Trockenkühleranordnung messbar sind.
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5 und 6 zeigen die statischen Druckverluste
in Pa. Sie sind über
den jeweiligen Ort des Druckverlustes aufgetragen. Die exakten Werte
sind Tabelle 2 zu entnehmen.
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Es
ist erkennbar, dass der Eintrittsdruckverlust, der Druckverlust
des Ventilatorschutzgitters, der Druckverlust der Ventilatorbrücke und
der Druckverlust beim Eintritt in die Kühlelemente jeweils für sich gesehen
und auch in der Summe relativ gering sind. Der stärkste Druckverlust
tritt innerhalb des Kühlelements
auf. Die Verluste beim Austritt aus dem Kühlelemente sowie dynamische
Druckverluste am Austritt sind wiederum relativ gering. Abzüglich des
Naturzugs ergibt sich bei der bekannten Anordnung ein Druckverlust
zwischen 120 und 140 Pa.
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Dahingegen
wurden bei der erfindungsgemäßen Anordnung
Druckverluste gemessen, die in 6 dargestellt
sind. Aufgrund der saugenden Anordnungen treten Druckverluste insbesondere
innerhalb des Kühlelements
relativ frühzeitig
auf, allerdings ist sowohl der Eintrittsverlust in das Kühlelement
als auch der Austrittsverlust aus dem Kühlelement bei der V-Bauweise
deutlich niedriger als bei der A-Bauweise, so dass sich unter Berücksichtigung
der weiteren Druckverluste und des Naturzugs ein Gesamtverlust des
statischen Drucks von unter 100 Pascal ergibt. Im Vergleich wird
deutlich, dass sich hierdurch eine Reduzierung der statischen Pressung
von etwa 30 % ergibt. Allerdings erhöht sich das Fördervolumen
um ca. 8 %, da nunmehr erwärmte
Kühlluft
abgesaugt werden muss. Da sich die Ventilatorleistung proportional
zum Fördervolumenstrom
sowie proportional zur Differenz der statischen Drücke verhält, ergibt
sich bei konstantem Ventilatorwirkungsgrad eine Reduzierung der
Ventilatorleistung um ca. 25 %. Es resultiert ein erhebliches Einsparpotential bei
den Betriebskosten einer solchen Anlage. Gleichzeitig wird der Kraftwerkwirkungsgrad
verbessert. Da die Schallemission des Ventilators direkt an dessen
Kraftbedarf gekoppelt ist, resultiert aus einer 25 % niedrigeren Leistungsaufnahme
gleichzeitig eine Reduzierung des Schallleistungspegels um ca. 1
dB (A).
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
die Ventilatorleistung konstant zu halten, wobei bei gleicher Kühlleistung
eine Reduzierung in der Kühlfläche um 10
% möglich
ist.
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- 1
- Trockenkühler
- 2
- Stahlgerüst
- 3
- Ventilator
- 4
- Ventilatorlaufring
- 5
- Kühlelement
- 6
- Kühlelement
- 7
- Leitblech
- 8
- Trockenkühler
- 9
- Ventilator
- 10
- Kühlelement
- 11
- Kühlelement
- 12
- Dampfverteilerleitung
- 13
- Kondensatsammelleitung
- 14
- Eintrömöffnung
- 15
- Ventilatorlaufring
- K
- Kühlluftstrom
