DE1960619C3 - Kühlturm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlturm für dampfförmige oder flüssige Medien, dessen Mantelwandung im unteren Höhenbereich Ansaugöffnungen zum radialen Ansaugen von Kühlluft besitzt und der eine obere stirnseitige Abströmöffnung für die Kühlluft aufweist, wobei im wesentlichen oberhalb der Ansaugöffnungen und innerhalb der Mantelwandung über den Kühlturmquerschnitt verteilt Rippen- oder Glattrohre besitzende Wärmeaustauscherelemente angeordnet sind, deren Rippen- oder Glattrohre innenseitig von dem zu kühlenden Medium beaufschlagt und außenseitig von dem durch den natürlichen Zug des Kühlturms bewegten Kühlluftstrom steil aufwärts angeströmt und unterschiedlich hoch angeordnet sind.

Bei einem bekannten Kühlturm dieser Art sind die im Bereich der Mantelwandung angeordneten Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte oberhalb der Ansaugöffnungen angeordnet, die im unteren Höhenbereich in der Mantelwandung vorgesehen sind. Die weiter zur Kühlturmmitte hin vorgesehenen Wärmeaustauscherelemente sind treppenstufenartig nach unten versetzt, und zwar derart, daß die Wärmeaustauscherelemente im Bereich der Kühlturmmitte am tiefsten liegen. Letzteres trifft auch für eine andere bekannte Bauart zu, bei der die Wärmeaustauscherelemente nicht treppenstufenartig, sondern geneigt in einer schrägen

ίο Ebene von der höchsten Stelle im Bereich der Mantelwandung bis zur tiefsten Stelle im Bereich der Kühlturmmitte hin angeordnet sind.

Diese bekannten Bauarten besitzen den Nachteil, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Kühlung des zu kühlenden dampfförmigen oder flüssigen Mediums in den einzelnen Wärmeaustauscherelementen nicht zu erreichen ist, und zwar auch dann nicht, wenn man von der Voraussetzung völliger Windstille ausgeht. Der Grund hierfür ist der, daß im Innern des Kühlturms selbst bei völliger Windstille im Bereich der Kühlturmmitte die Kühlluft mit einer höheren Geschwindigkeit nach oben strömt, als dies im Bereich der Mantelwandung in gleicher Höhe der Fall ist. Diese höhere Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft im Bereich der Kühlturmmitte beruht darauf, daß die Kühlluft durch die Ansaugeöffnungen allseitig in radialer Richtung in den Kühlturm einströmt und die einzelnen Luftteilchen im Bereich der Kühlturmmitte aufeinanderprallen, so daß dort ein relativ großer Staudruck entsteht, der eine höhere Geschwindigkeit der nach oben abströmenden Kühlluft bewirkt Demgegenüber tritt in der gleichen Höhenebene im Bereich der Mantelwandung des Kühlturms nur ein sehr geringer Staudruck auf. Hinzu kommt, daß im Bereich der Mantelwandung Reibungs-Verluste auftreten, wenn die Kühlluft an der Innenfläche der Mantelwandung nach oben strömt. Die Geschwindigkeit der nach oben strömenden Luft ist bekanntlich abhängig von der Höhe des Kühlturms, da der Zug mit wachsender Höhe zunimmt. Dieser Zug des Kühlturms muß so stark sein, daß der Druckverlust durch die Wärmeaustauscherelemente bei der für den Kühleffekt notwendigen Durchtrittsgeschwindigkeit überwunden wird. Unterschiedlicher Staudruck und Reibungsverluste an der Wandung des Kühlturms erzeugen bei gleicher Saughöhe eine Geschwindigkeitsverteilung im Kühlluftstrom über den Turmquerschnitt, die etwa der Form eines nach oben weisenden stumpfen Kegels entspricht, d. h„ daß die Kühlfläche in Turmmitte bei gleichem Abstand zur Abströmöffnung des Kühlturms mit höherer Luftgeschwindigkeit umströmt würde als die Kühlfläche im Bereich der Turmwandung.

Hieraus ergibt sich, daß die Anordnung der Wärmeaustauscherelemente bei den bekannten Bauarten ungünstig ist, weil nämlich die im Bereich der Kühlturmmitte angeordneten Wärmeaustauscherelemente wesentlich tiefer angeordnet sind als die, welche sich in radialer Richtung weiter außen im Bereich der Mantelwandung des Kühlturms befinden. Diese Anordnung bringt für die im inneren Bereich des Kühlturms

to angeordneten Wärmeaustauscherelemente wegen des dort vorhandenen hohen Staudrucks und wegen der dort vorhandenen besonders großen Höhendifferenz zwischen den Wärmeaustauscherelementen und der oberen stirnseitigen Abströmöffnung des Kühlturms

h·-, eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft mit sich, die gleichbedeutend ist mit einer besonders intensiven Wärmeabfuhr. Demgegenüber ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft bei den

radial weiter außenliegenden, im Bereich der Mantelwandung des Kühlturms angeordneten Wärmeaustauscherelementen wesentlich geringer, weil diese im Bereich eines nur relativ geringen Staudruckes und eines erhöhten Strömungswiderstandes für die Kühlluft angeordnet sind und weil außerdem diese Wärmeaustauscherelemente bei der bekannten Bauart höher als die inneren Wärmeaustauscherelemente angeordnet sind und daher infolge der kleineren Höhendifferenz zwischen den Wärmeaustauscherelementen und der Abströmöffnung des Kühlturms auch nur ein wesentlich kleinerer natürlicher Zug vorhanden ist

Bei den bekannten Bauarten mit zur Turmmitte nach unten treppenstufenartig oder geneigt in einer schrägen Ebene angeordneten Wärmeaustauscherelc-menten werden demzufolge die im Bereich der Kühlturmmitte angeordneten Wärmeaustauscherelemente wesentlich stärker gekühlt als die im Bereich der Mantelwandung angeordneten Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte.

Diese ungleichmäßige Kühlung der Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte führt zu erheblichen Wirkungsgradverlusten und erfordert bei Anlagen gleicher Leistung eine entsprechende Vergrößerung der Anlage- und Betriebskosten. Darüber hinaus besteht noch die erhebliche Gefahr, daß die zu stark gekühlten Wärmeaustauscherelemente im Bereich der Kühlturmmitte bei niedrigen Außentemperaturen einfrieren, was zu beträchtlichen Schäden führen kann.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Bauarten ist deren große Windempfindlichkeit, weil bei ihnen o^:e in Windrichtung luvseitig liegenden Wärmeaustauscherelemente treppenstufenartig oder geneigt zur Mitte hin nach unten angeordnet sind und dabei jene Wärmeaustauscherelemente in den Windschatten bringen, die in J5 der leeseitigen Hälfte des Kühlturms angeordnet sind. Infolgedessen werden die Wärmeaustauscherelemente in der luvseitigen Kühlturmhälfte besonders stark gekühlt, während die Kühlung der Wärmeaustauscherelemente in der im Windschatten liegenden anderen Hälfte des Kühlturms wesentlich geringer und je nach der Außentemperatur oftmals völlig unzureichend ist. Auch dies führt zu erheblilchen Leistungsverlusten, die nur durch besonders große bauliche Abmessungen des Kühlturms ausgeglichen werden können. Da jedoch die baulichen Abmessungen eines Kühlturms aus zahlreichen Gründen begrenzt sind, wird oftmals der Bau eines zweiten Kühlturms zur Aufbringung der benötigten Kühlleistung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bislang bekannten Kühltürme zu beseitigen, d.h. bei den eingangs genannten bekannten Kühltürmen allein durch eine besondere Anordnung der WärmeaustaMscherelemente innerhalb des Kühlturms eine möglichst gleichmäßige Kühlung aller Wärmeaus- « tauscherelemente im Innern des Kühlturms zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte in der Mitte des Kühlturmquerschnitts entspre- bo chend der Stärke des über den Kühlturmquerschnitt unterschiedlich starken kuiilturmzuges höher als im Bereich der Mantelwandung angeordnet sind.

Diese erfindungsgemäße Anordnung der Wärmeaustauscherelemente ist der bekannten Anordnung von bs Wärmeaustauscherelementen in den Kühltürmen der eingangs angeführten Gattung genau entgegengesetzt. Hierdurch wird erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft und damit die Wärmeabführung bei allen Wärmeaustauscherelementen bzw. deren Abschnitten im wesentlichen die gleiche ist Die Anordnung der Wärmeaustauscherelemente läßt sich dabei so treffen, daß an allen Stellen das Produkt aus Druckdifferenz zwischen dem Druck der Luft im Bereich der Wärmeaustauscherelemente und im Bereich der Abströmöffnung des Kühlturms und der Höhendifferenz zwischen der jeweiligen Höhe der Wärmeaustauscherelemente und der Abströmöffnung des Kühlturms etwa gleich groß ist Dies bedeutet, daß im mittleren Bereich des Kühlturms der dort vorhandene höhere Staudruck dadurch ausgeglichen wird, daß die Wärmeaustauscherelemente dort besonders hoch angeordnet sind, so daß die Höhendifferenz zwischen den Wärmeaustauscherelementen und der oberen stirnseitigen Abströmöffnung des Kühlturms entsprechend geringer ist Infolgedessen ist der natürliche Zug des Kühlturms bei den hochliegenden Wärmeaustauscherelementen im mittleren Kühlturmbereich niedriger, was den dort herrschenden höheren Staudruck ausgleicht. Demgegenüber sind die Wärmeaustauscherelemente, die im Bereich der Mantelwandung des Kuhlturms angeordnet sind und die im Bereich eines nur geringen Staudrucks und im Bereich eines größeren Strömungswiderstandes der Kühlluft liegen, wesentlich tiefer angeordnet als die Wärmeaustauscherelemente im mittleren Kühlturmbereich, so daß dort die Höhendifferenz zwischen den Wärmeaustauscherelementen und der oberen stirnseitigen Abströmöffnung des Kühlturms besonders groß ist Der hierdurch bedingte stärkere natürliche Zug des Kühlturms gleicht den geringeren Staudruck an dieser weiter außenliegenden Stelle aus. Somit läßt sich mit der erfindungsgemäßen Ausbildung für alle über den Kühlturmquerschnitt verteilt angeordneten Wärmeaustauscherelemente ohne irgendwelche Drossel- oder Regelvorrichtungen, allein durch ihre unterschiedlich hohe Anordnung oberhalb des Bodens eine im wesentlichen gleich große Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft erzielen. Dies bedeutet eine weitgehend gleichmäßige Wärmeabfuhr und ermöglicht eine gleichmäßige Beaufschlagung der einzelnen Wärmeaustauscherelemente mit dem zu kühlenden Medium. Hieraus wieder ergibt sich der wesentliche Vorteil eines besseren Wirkungsgrades und damit einer höheren Leistung bei sonst gleich großen Abmessungen. Der bessere Wirkungsgrad und die höhere Leistung bei gleich großen Abmessungen bedeuten naturgemäß eine beträchtliche Verringerung der anfallenden Kosten. Darüber hinaus wird durch die weitgehend gleichmäßige Wärmeabfuhr in vorteilhafter Weise vermieden, daß einzelne Wärmeaustauscherelemente im mittleren Querschnittsbereich des Turms bei niedrigen Außentemperaturen einfrieren, so daß die erfindungsgemäße Ausbildung auch eine erhebliche Verbesserung der Betriebssicherheit mit sich bringt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlturms ist seine geringere Windempfindüchkeit, weil sämtliche Wärmeaustauscherelemente oberhalb der Ansaugeöffnung angeordnet sind und die im Kühlturm luvseitig gelegenen Wärmeaustauscherelemente die Wärmeaustauscherelemente, welche leeseitig liegen, nicht verdecken. Die Kühlluft muß durchweg unterhalb der Wärmeaustauscherelemente ihre Strömungsrichtung um etwa 90° ändern und strömt erst dann von unten nach oben durch die Wärmeaustauscherelemente. Somit werden die bei den bekannten Bauarten vorhandenen, durch Windeinwirkung bedingten Unre-

gelmäßigkeiten in der Kühlluftbeaufschlagung der einzelnen Wärmeaustauscherelemente weitgehend vermieden, was wiederum gleichbedeutend mit einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades und der Kühlleistung ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte im wesentlichen kegel- oder kegelstumpfförmig im Innern des Kühlturms angeordnet. Ferner ist es möglich, die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte im wesentlichen pyramiden- oder pyramidenstumpfförmig im Innern des KUhlturms anzuordnen. Letzteres hat den Vorteil, daß die Wärmeaustauscherelemente ebenflächig und nicht gekrümmt ausgebildet werden können, was die Fertigung wesentlich vereinfacht und verbilligt. In beiden Fällen kann die Steigung der Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte zur Kühlturmmitte hin stetig oder abschnittsweise zunehmen. Bei einer anderen Ausführungsform sind demgegenüber die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte im äußeren Querschnittsbereich des Kühlturms mit einer oder mehreren unterschiedlichen Steigungen zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms angeordnet, während die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte im Bereich der Kühlturmmitte keine oder nur eine geringe Steigung zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms aufweisen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 einen Kühlturm mit pyramidenförmiger Anordnung der Wärmeaustauscherelemente, teilweise im Schnitt,

Fig.2 einen Kühlturmabschnitt mit kegelstumpf förmiger Anordnung dachförmig ausgebildeter Wärmeaustauscherelemente, teilweise im Schnitt,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kühlturm für dampfförmige oder flüssige Medien bezeichnet, der eine Mantelwandung 2 bekannter Ausbildung und üblicher Form aufweist. In der Mantelwandung 2 sind im unteren Höhenbereich des Kühlturms 1 Ansaugöffnungen 3 großen Querschnitts zum radialen Ansaugen von Kühlluft vorgesehen. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet. Nicht direkt zu erkennen ist in F i g. 1 eine obere stirnseitige Abströmöffnung 4, durch welche die Kühlluft nach oben hin aus dem Kühlturm 1 entweicht.

Innerhalb der Mantelwandung 2 und oberhalb der Ansaugeöffnung 3 sind über den Kühlturmquerschnitt verteilt Rippenrohre besitzende Wärmeaustauscherelemente 5 angeordnet, die nur schematisch angedeutet sind. Diese Wärmeaustauscherelemente 5 bzw. deren Rippenrohre werden innenseitig von dem zu kühlenden Medium, beispielsweise Wasserdampf, und außenseitig von dem durch den natürlichen Zug des Kühlturms 1 bewegten Kühlluftstrom beaufschlagt Die Wärmeaustauscherelemente 5 sind pyramidenförmig im Innern des Kühlturms 1 angeordnet. Im Bereich der Mantelwandung 2 stützen sich die Wärmeaustauscherelemente S auf einem an dieser angeordneten Tragelernent 6 ab, welches etwa ringförmig ausgebildet ist und im Querschnitt die Form einer Konsole besitzt Im Bereich der Kühlturmmitte werden die Wärmeaustauscherelemente 5 von einer etwa senkrecht stehenden Zuführungsleitung 7 für das zu kühlende Medium gehalten, die dort das einzige statische Stützelement bildet. Das zu kühlende Medium wird im Bereich des oberen Endabschnitts der Zuführungsleitung 7 gleichmäßig auf die einzelnen Wärmeaustauscherelemente 5 verteilt.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 2 und 3 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach F i g. 1 mit dem Unterschied, daß die Wärmeaustauscherelemente 5 pyramidenstumpfförmig angeordnet sind, so daß sie im Bereich der Mantelwandung 2 des Kühlturms 1 mit einer beträchtlichen Steigung zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms 1 angeordnet sind, während die Wärmeaustauscherelemente 5a im Bereich der Kühlturmmitte keine Steigung zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms 1 aufweisen. In F i g. 2 ist außerdem die Führung des zu kühlenden Mediums, im vorliegenden Fall Dampf, dargestellt Der Dampf wird über die Zuführungsleitung 7 und Verteilerleitungen 8 den radial außenliegenden Wärmeaustauscherelementen 5 zugeführt. Das in diesen Wärmeaustauscherelementen 5 entstehende Kondensat fließt durch die Neigung der mit 9 bezeichneten Sammelleitungen radial nach außen hin ab, während der restliche Dampf den dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauscherelementen Sa im Bereich der Kühlturmmitte zuströmt, wo der restliche Dampf kondensiert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kühlturm für dampfförmige oder flüssige Medien, dessen Mantelwandung im unteren Höhenbereich Ansaugöffnungen zum radialen Ansaugen von Kühlluft besitzt und der eine obere stirnseitige Abströmöffnung für die Kühlluft aufweist, wobei im wesentlichen oberhalb der Ansaugöffnungen und innerhalb der Mantelwandung über den Kühlturinquerschnitt verteilt Rippen- oder Glattrohre besitzende Wärmeaustauscherelemente angeordnet sind, deren Rippen- oder Glattrohre innenseitig von dem zu kühlenden Medium beaufschlagt und außenseitig von dem durch den natürlichen Zug des Kühlturms bewegten Kühlluftstrom steil aufwärts angeströmt und unterschiedlich hoch angeordnet sind, dadurch gekennzeichne*, daß die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5, Sa) in der Mitte des Kühlturmquerschnittes entsprechend der Stärke des über den Kühlturmquerschnitt unterschiedlich starken Kühlturmzuges höher als im Bereich der Mantelwandung (2) angeordnet sind.

2. Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5,52JIm wesentlichen kegel- oder kegelstumpfförmig angeordnet sind.

3. Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5,5a) im wesentlichen pyramiden- oder pyramidenstumpfformig angeordnet sind.

4. Kühlturm nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5,5a,) zur Kühlturmmitte hin stetig oder abschnittsweise zunimmt.

5. Kühlturm nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5, 5a) im äußeren Querschnittsbereich des Kühlturms (1) mit einer oder mehreren unterschiedlichen Steigungen zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms (1) angeordnet sind, während die Wärmeaustauscherelemente bzw. deren Abschnitte (5,5ajim Bereich der Kühlturmmitte keine oder nur eine geringe Steigung zur horizontalen Querschnittsebene des Kühlturms (1) aufweisen.