DE1401668B2

DE1401668B2 - Verfahren zur Leistungsregelung eines luftgekühlten Oberflächenkühlers für Flüssigkeiten und Oberflächenkühler zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1401668B2
Application number: DE1962G0035433
Authority: DE
Inventors: Johann Christoph Dipl -Ing. 4630 Bochum Niemann
Original assignee: GEA Luftkuehlergesellschaft Happel GmbH and Co KG
Current assignee: GEA Luftkuehlergesellschaft Happel GmbH and Co KG
Priority date: 1962-07-11
Filing date: 1962-07-11
Publication date: 1970-04-09
Also published as: GB975590A; US3259177A; DE1401668C3; DE1401668A1

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Leistungsregelung von außenseitig mit einem durch natürlichen Kaminzug erzeugten Kühlluftstrom beaufschlagten Oberflächenkühlern für Flüssigkeiten, bei welchen die die zu kühlende Flüsigkeit aufnehmenden Wärmetauschelemente im unteren Endbereich eines oben offenen, kaminartigen Turmes in über dessen Umfang angeordneten Öffnungen der Turmwand vorgesehen sind, durch Verändern der Größe der wirksamen Wärmetauschfiäche mittels in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder der Austrittstemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit steuerbarer Regelorgane. Bei derartigen Oberflächenkühlern, die im Rahmen technischer Großanlagen außer zur Kühlung beliebiger flüssiger Medien beispielsweise auch dem Zweck dienen können, das zur unmittelbaren Niederschlagung des Abdampfes von Groß-Dampfkraftanlagen mittels Einspritz- bzw. Mischkondensatoren verwendete Kühlwasser im geschlossenen Kreislauf rückzukühlen, besteht im Hinblick auf die Abhängigkeit der Kühlleistung von den schwankenden Außentemperaturen eine Schwierigkeit darin, in bezug auf die Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums bestimmte Grenzen einzuhalten, die nicht unter- oder überschritten werden dürfen.

Eine bekannte Möglichkeit zur Regelung der Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums besteht darin, daß den Wärmetauschelementen zur Drosselung des Kühlluftstromes Jalousien vorgeschaltet werden, jedoch ist diese Maßnahme im Hinblick auf die Größe der Oberflächenkühler zu aufwendig und auch regelungstechnisch zu kompliziert.

Eine weitere bekannte, aber nicht weniger umständliche Möglichkeit zur Leistungsregelung derartiger Anlagen besteht darin, die Wärmetauschleistung über die Größe der wirksamen Wärmetauschfiäche dadurch zu verändern, daß je nach den Außentemperaturverhältnissen ein mehr oder weniger großer Teil der Wärmetauschelemente vom Kreislauf des zu kühlenden Mediums abgeschaltet wird. Dieser Weg läßt jedoch bei Verwendung nur weniger Schaltstufen nur eine geringe und daher in den meisten Fällen nicht ausreichende Regelungsmöglichkcit zu. Zwar ist es unter Benutzung dieses Lösungsprinzips technisch ohne weiteres möglich, höheren Ansprüchen an die Regelbarkeit zu genügen, jedoch wird die Anlage hierdurch einerseits kompliziert und zum anderen in vielen Fällen nicht weniger aufwendig als bei der zuvor erwähnten Möglichkeit, jedem Wärmetauschelement auf der Ansaugseite eine gesonderte Jalousie vorzuschalten.

Beide vorstehend geschilderten bekannten Maßnahmen haben außerdem noch den gemeinsamen Nachteil, daß im Hinblick auf die Einfriergefahr des zu kühlenden Mediums eine Möglichkeit vorgesehen sein muß, die abgeschalteten Wärmetauschelemente zwecks Vermeidung von Frostschäden zu entleeren, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet und derart umständlich ist, daß cine schnelle und anpassungsfähige Regelung praktisch nicht mehr gewährleistet werden kann.

Weiterhin ist es gemäß den deutschen Patentschriften 530 222 und 946 989 jeweils für einen anderen Zweck — es handelt sich dabei um einen Oberflächcn-Hcißdampfkühlcr bzw. einen dampfbeheizten Wärmetauscher — bekannt, in einem einzelnen Wärmetauschclcmcnt die wirksame Wärmetauschflächc durch Veränderung der Höhe des Flüssigkeitsstandes zu regeln. Derartige Einzelelemente sind jedoch für Großanlagen nicht verwendbar, weil bei einer Großanlage mit entsprechend zahlreichen Wärmetauschelementen jedem einzelnen Wärmetauschelement die Veränderung des Flüssigkeitsstandes bewirkende Regelorgane zugeordnet werden müßten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Leistungsregelung von Oberflächenkühlern

ίο bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und bei einem aus einer Vielzahl von einzelnen Wärmetauschelementen bestehenden Oberflächenkühler sowohl eine einfach zu handhabende genaue Regelung der Austrittstemperatur

des zu kühlenden Mediums als auch eine einfach zu handhabende schnelle Entleerung der Wärmetauschelemente bei Einfriergefahr gewährleistet. Außerdem soll ein Oberflächenkühler mit einer möglichst geringen Anzahl an Regelorganen geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Größe der jeweils am Wärmetausch beteiligten Wärmetauschfläche mittelbar durch Änderung der Höhe des Flüssigkeitsstandes in den der Verteilung der zu kühlenden Flüssigkeit auf mehrere, in der Höhe übereinander angeordnete und in Parallelschaltung angeschlossene Wärmetauschelemente dienenden, im wesentlichen lotrechten Zufluß- und Abflußleitungen geregelt wird.

Im Gegensatz zu der bekannten Lösung, die für die Änderung der Anzahl der von dem zu kühlenden Medium jeweils beaufschlagten Wärmetauschelemente komplizierte schaltungstechnische Maßnahmen und einen entsprechend hohen apparativen Aufwand erfordert, bietet die Erfindung den Vorteil, die jeweilige Größe der wirksamen Wärmetauschfläche auf wesentlich einfachere Weise über die Standhöhe der Flüssigkeitssäulen in den Zufluß- bzw. Abflußleitungen steuern zu können, wozu es im allgemeinen nur eines einzigen Regelorgans in der Form eines Durchflußverstellgliedes, ζ. B. eines Schiebers, in der Hauptrückflußleitung bedarf, das sich zudem leicht automatisch, namentlich durch Thermostaten, in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder der Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums steuern läßt.

Da mit der Veränderung der wirksamen Wärmetauschfläche über die Standhöhe der Flüssigkeitssäule in den Zufluß- bzw. Abflußleitungen zwangläufig auch eine entsprechende Entleerung des nicht benötigten Teils der Wärmetauschfläche von dem zu kühlenden Medium bewirkt wird, kann zumal in Verbindung mit einer automatischen Steuerung der Durchflußverstellglieder ein Einfrieren der Wärmetauschelemente selbst bei sehr tiefen Außentemperatüren nicht eintreten, ohne daß es hierzu zusätzlicher und zu dem von der Sorgfalt des Bedienungspersonals abhängiger Schaltungsmaßnahmen bedarf.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Oberflächenkühler zur Durchführung des Verfahrens, welcher sich dadurch kennzeichnet, daß die in annähernd horizontaler Ebene von der zu kühlenden Flüssigkeit durchströmten und an den Enden mit annähernd lotrecht angeordneten Verteiler- und Sammelkammern versehenen Wärmetauschelcmente in mehreren Reihen gruppenweise übereinander angeordnet sind, wobei mindestens die unteren Enden der Sammcl- und Vcrteilcrkammern sämtlicher Elemente in Parallelschaltung an den Gruppen gemein-

sam zugeordnete, im wesentlichen lotrechte Zufluß- und Abflußleitungen angeschlossen sind, die von je einer unterhalb der Elementegruppen vorgesehenen gemeinsamen Verteiler- bzw. Sammelleitung abzweigen.

Bei Oberflächenkühlern, bei welchen die Wärmetauschelemente aus endseitig an Verteiler- und Sammelkammern angeschlossenen Rohrbündeln bestehen, kann es zweckmäßig sein, wenn die seitlich zueinüber dessen Umfang verteilten Öffnungen 3 der Turmwand la angeordneten Wärmetauschelemente mit 4 bezeichnet.

Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Wärmetauschelemente 4 sind in bekannter Weise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet, welche jeweils zwei Endkammern — eine Verteilerkammer 4 a und eine Sammelkammer 46 — aufweisen. Zwischen den Verteiler- und Sammelkammern sind an diesen an

ander benachbarten Gruppen übereinander angeord- io geschlossene Rohrbündel angeordnet, welche innenneter Wärmetauschelemente wechselweise gegen- seitig von der zu kühlenden Flüssigkeit durchströmt sinnig zueinander geneigt und an jeweils gemeinsame und außenseitig von der Kühlluft beaufschlagt sind. Zufluß- und Abflußleitungen angeschlossen sind. Die Rohrbündel sind zweckmäßig außenseitig mit

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Rippen versehen. Obwohl die vorstehend beschriebe-Höhe des Flüssigkeitsstandes innerhalb der Zufluß- 15 nen Wärmetauschelemente bevorzugt verwendet und Abflußleitungen durch eine in die Hauptzuflußleitung eingeschaltete Pumpe und ein dieser in der
Hauptrückflußleitung zugeordnetes Durchflußverstellglied regelbar.

werden, kann die Ausbildung der Wärmetauschelemente 4 an sich beliebig sein, vorausgesetzt, daß sie eine umlenkungsfreie Hindurchströmung der zu kühlenden Flüssigkeit in annähernd horizontaler

Zweckmäßig ist das in der Hauptrückflußleitung 20 Ebene unter Bildung einer freien Oberfläche ermög-

angeordnete Durchflußverstellglied als Schieber aus- liehen und zu diesem Zweck an den sich in der

gebildet. Horizontalen gegenüberliegenden Stirnseiten mit ge-

Ferner kann der Oberflächenkühler derart aus- gebenenfalls kammerartig ausgebildeten Anschlüssen

gestaltet sein, daß die Hauptzufluß- und Hauptrück- für die Zu- und Ableitung der Flüssigkeit versehen

flußleitung durch eine Umgehungsleitung miteinander 25 sind. So ist es beispielsweise möglich, die Wärme

verbunden sind, welche in Strömungsrichtung der zu kühlenden Flüssigkeit hinter der Pumpe von der Hauptzuflußleitung abgezweigt und in welche ein weiteres Durchflußverstellglied eingeschaltet ist. Durch diese Maßnahme ist es namentlich bei niedrigen Außentemperaturen im Winter möglich, das zu kühlende Medium von der Hauptzuflußleitung unter Umgehung des Kühlers unmittelbar in die Hauptrückflußleitung einzuspeisen und dadurch unabhängig von dem Volumen der zu kühlenden Flüssigkeit den Flüssigkeitsstand innerhalb des Kühlers und damit die Größe der wirksamen Austauschfläche niedrig zu halten. Durch die teilweise unmittelbare Einspeisung des zu kühlenden Mediums in die Hauptrückflußleitung wird auf diese Weise auch bei tiefsten Wintertemperaturen eine zu weitgehende Unterkühlung vermieden.

Die Be- bzw. Entlüftung der Wärmetauschelemente kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Zuflußbzw. Abflußleitungen am oberen Ende offen sind. Zweckmäßiger ist es jedoch, wenn der nicht mit der zu kühlenden Flüssigkeit angefüllte freie Raum des Kühlsystems und seiner Rohrleitungen gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossen und unter Antauschelemente in bekannter Weise als Plattenwärmetauscher auszubilden oder Röhrenwärmetauscher zu verwenden, bei denen die Kühlluft durch das Wärmetauschgehäuse quer durchsetzende Rohre hindurchgeführt wird und die zu kühlende Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses die Rohre außenseitig umströmt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, besteht jedes der seitlich zueinander benachbarten und in jeweils drei Reihen übereinander angeordneten Wärmetauschelemente 4 aus mehreren zur Horizontalen geneigten Reihen von Rippenrohren, die an den Enden in je eine gemeinsame kastenförmige obere Verteilerkammer 4 α und untere Sammelkammer 4 b münden. Da die Endkammern 4 a und 4 b bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel lotrecht zu den mit Außenrippen versehenen Rohren angeordnet sind, sind diese unter dem gleichen Winkel zur Vertikalen geneigt wie die Rohrreihen zur Horizontalen geneigt sind. In Abweichung hiervon ist es selbstverständlich auch möglich, die Endkammern genau oder annähernd lotrecht anzuordnen und lediglich die diese verbindenden Rohre um ein geringes Maß zur Horizontalen zu neigen. Die Neigung der Wärmetauschrohre zur Horizontalen ist

füllung mit Luft oder einem korrosionsverhindernden 50 höchstens so groß gewählt, wie es dem Strömungsinertgas an einen Luft- bzw. Inertgas-Speicher an- druckverlust innerhalb der Rohre bei der kleinsten geschlossen ist. Dabei ist die Höhe des Flüssigkeits- je Rohr anfallenden Durchflußmenge des zu kühlenstandes innerhalb der Zufluß- und Abflußleitungen den Mediums entspricht.

durch Veränderung des Luft- bzw. Inertgasdruckes regelbar.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt F i g. 1 den Oberflächenkühler in Seitenansicht,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie ITI-III in Fig. 2 und

F i g. 4 das Schaltschema der Wärmetauschelemente.

In der Zeichnung sind der aus Beton oder Stahlbeton bestehende, nach oben hin offene kaminartige Kühlturm mit 1, das diesem zugeordnete Fundament mit 2 und die im unteren Endbereich des Turmes in Wie insbesondere aus dem Schaltschema gemäß F i g. 4 ersichtlich, erfolgt die Zufuhr der zu kühlenden Flüssigkeit mittels einer Pumpe 5 von unten her über eine Hauptzuflußleitung 6 und eine von dieser abgehende unterhalb der Wärmetauschelemente liegende Verteilerleitung 6a, an welche die im wesentliehen lotrecht angeordneten Zuflußleitungen 6 & für die einzelnen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Gruppen von jeweils drei übereinander angeordneten Wärmetauschelementen 4 in Parallelschaltung angeschlossen sind. Die von den lotrechten Zuflußleitungen ftb für die einzelnen Wärmctauschelemente abgezweigten Verbinduncsleitungen 6 c münden jeweils am unteren Ende der höherlicf>endcn Verteilcrkammern 4a, wobei sie infolge der Neigung

der Rohre zur Horizontalen über den Mündungen der am gegenüberliegenden Ende der Wärmetauschelemente an die jeweils unteren Enden der Sammelkammern 4 b angeschlossenen Verbindungsleitungen Tc für den Anschluß an die ebenfalls im wesentlichen lotrecht angeordneten Abflußleitungen Tb liegen. Die den einzelnen Gruppen übereinander angeordneter Wärmetauschelemente 4 gemeinsam zugeordneten lotrechten Abflußleitungen 7 b sind ebenfalls parallel an eine unterhalb der Wärmetauschelemente befindliehe Sammelleitung Ta angeschlossen, die ihrerseits mit der Hauptsammelleitung bzw. Hauptrückflußleitung 7 verbunden ist. Jeweils am oberen Ende sowohl der Verteilerkammern 4 α als auch der Sammelkammern 4 b jeden Wärmetauschelementes 4 sind im Querschnitt kleiner als die Verbindungsleitungen 6 c, Tc bemessene weitere Verbindungsleitungen 8, 8<3 angeschlossen, von denen die an die Sammelkammern 4 b angeschlossenen Verbindungsleitungen 8 über die Abflußleitungen 7 b und die an die Verteilerkammern 4 a angeschlossenen Verbindungsleitungen 8 a über die Zuflußleitungen 6 b mittels Leitungsabschnitte 8 b in Parallelschaltung an eine gemeinsame Inertgas-Leitung 8 c angeschlossen sind, welche den jeweils nicht mit dem zu kühlenden Medium angefüllten freien Raum des Kühlsystems mit dem Inertgas-Speicher 9 verbinden.

Zum Zwecke einer Regulierung der Standhöhe der Flüssigkeitssäule innerhalb der Zufluß- und Abflußleitungen ist der Inertgas-Speicher 9 an einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kompressor angeschlossen, welcher innerhalb des Inertgas-Speichers ständig einen Druck solcher Höhe aufrechterhält, wie er notwendig ist, um über das in der Leitung 8 c eingeschaltete regelbare Reduzierventil 13 mindestens einen wesentlichen Teil der Förderdruckhöhe der Pumpe 5 kompensieren und damit die Standhöhe der Flüssigkeitssäule in den Zufluß- bzw. Verteilerleitungen regulieren zu können. Mit 14 ist ein dem Reduzierventil 13 nachgeschaltetes, ebenfalls regelbares Entlastungsventil bezeichnet, mittels welchem der Inertgasüberdruck aus dem Kühlsystem abgelassen werden kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel im Sinne einer Vergrößerung der wirksamen Wärmetauschfläche gehoben werden soll. Sowohl das Reduzierventil 13 als auch das Entlastungsventil 14 sind zweckmäßig automatisch durch Thermostaten in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder von der Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums im Bereich der Hauptrückflußleitung 7 gesteuert.

Sowohl an Stelle der zuvor beschriebenen Regelungsmöglichkeit als auch gegebenenfalls zusätzlich zu dieser kann eine weitere Regelungsmöglichkeit in der Form vorgesehen sein, daß in die Rückflußleitung 7 ein Schieber 12 eingeschaltet ist, welcher in Abhängigkeit von der Stellung seines Absperrgliedes eine Änderung der Standhöhe der Flüssigkeitssäulen in den Zufluß- und Abflußleitungen bewirkt und dessen Absperrorgan zweckmäßig ebenfalls in Verbindung mit z. B. elektromagnetisch, elektro-pneumatisch oder elektrohydraulisch arbeitenden Schaltbzw. Verstellgeräten automatisch durch Thermostaten in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder der Austrittstemperatur des zu kühlenden Mediums gesteuert wird. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, ist zusätzlich eine die Hauptzuflußleitung 6 unmittelbar mit der Hauptrückflußleitung 7 verbindende Umgehungsleitung 10 vorgesehen, welche es in Verbindung mit einem in diese eingeschalteten weiteren Schieber 11 ermöglicht, das zu kühlende Medium von der Hauptzuflußleitung unter Umgehung des Kühlers unmittelbar in die Hauptrückflußleitung einzuspeisen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Leistungsregelung von außenseitig mit einem durch natürlichen Kaminzug erzeugten Kühlluftstrom beaufschlagten Oberflächenkühlern für Flüssigkeiten, bei welchen die die zu kühlende Flüssigkeit aufnehmenden Wärmetauschelemente im unteren Endbereich eines oben offenen, kaminartigen Turmes in über dessen Umfang angeordneten öffnungen der Turmwand vorgesehen sind, durch Verändern der Größe der wirksamen Wärmetauschfläche mittels in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder der Austrittstemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit steuerbarer Regelorgane, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der jeweils am Wärmetausch beteiligten Wärmetauschfläche mittelbar durch Ändern der Höhe des Flüssigkeitsstandes in den der Verteilung der zu kühlenden Flüssigkeit auf mehrere, in der Höhe übereinander angeordnete und in Parallelschaltung angeschlossene Wärmetauschelemente dienenden, im wesentlichen lotrechten Zufluß- und Abflußleitungen geregelt wird.

2. Oberflächenkühler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in annähernd horizontaler Ebene von der zu kühlenden Flüssigkeit durchströmten und an den Enden mit annähernd lotrecht angeordneten Verteiler- und Sammelkammern (4 a, 4 b) versehenen Wärmetauschelemente (4) in mehreren Reihen gruppenweise übereinander angeordnet sind, wobei mindestens die unteren Enden der Sammel- und Verteilerkammern sämtlicher Elemente in Parallelschaltung an den Gruppen gemeinsam zugeordnete, im wesentlichen lotrechte Zufluß- und Abflußleitungen (6 b und Tb) angeschlossen sind, die von je einer unterhalb der Elementegruppen vorgesehenen gemeinsamen Verteiler- bzw. Sammelleitung (6 a bzw. Ta) abzweigen.

3. Oberflächenkühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlich zueinander benachbarten Gruppen übereinander angeordneter Wärmetauschelemente wechselweise gegensinnig zueinander geneigt und an jeweils gemeinsame Zufluß- und Abflußleitungen angeschlossen sind.

4. Oberflächenkühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Flüssigkeitsstandes innerhalb der Zufluß- und Abflußleitungen durch eine in die Hauptzuflußleitung (6) eingeschaltete Pumpe (5) und ein dieser in der Hauptrückflußleitung (7) zugeordnetes Durchflußverstellglied regelbar ist.

5. Oberflächenkühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Hauptrückflußleitung (7) angeordnete Durchflußverstellglied als Schieber (12) ausgebildet ist.

6. Oberflächenkühler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptzufluß- und Hauptrückflußleitung durch eine Umgehungs-

leitung (10) miteinander verbunden sind, welche in Strömungsrichtung der zu kühlenden Flüssigkeit hinter der Pumpe (5) von der Hauptzuflußleitung (6) abgezweigt und in welche ein weiteres Durchflußverstellglied (11) eingeschaltet ist.

7. Oberflächenkühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit der zu kühlenden Flüssigkeit angefüllte freie Raum

des Kühlsystems und seiner Rohrleitungen gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossen und unter Anfüllung mit Luft oder Inertgas an einen Luft- bzw. Inertgas-Speicher (9) angeschlossen ist, wobei die Höhe des Flüssigkeitsstandes innerhalb der Zufluß- und Abflußleitungen durch Veränderung des Luft- bzw. Inertgasdruckes regelbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen