DE19640865A1 - Verdunstungskühlturm - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdunstungskühlturm bei dem Umgebungs­ luft entweder von unten nach oben oder horizontal im Kreuzstrom zum vertikal abrieselnden abzukühlendem Kühlwasser eines Produktionsprozesses oder einer Kältemaschine geblasen wird, das von einer Temperatur tw1 auf eine niedrigere Temperatur tw2 abgekühlt werden soll.

Diese bekannten Anordnungen werden einstufig betrieben und das ablaufende zurückgekühlte Wasser wieder der Kühlstelle zugeführt. Dies hat den Nachteil, daß infolge der charakteristischen Kennlinie von Verdunstungskühltürmen in Form einer Parabel bei größeren Kühlzonenbreiten z und/oder kleineren Kühlgrenzab­ ständen a Abkühlungsgrade Eta notwendig werden, die im Bereich der asympto­ tisch verlaufenden Kühlturmkennlinie liegen. Es werden immer größere spezifi­ sche Luftmassen in kg/kW abgeführter Wärmemenge notwendig, weshalb die Antriebsleistung der Ventilation entsprechend ansteigt. Der Kühlturmkennlinienver­ lauf wird durch eine Reihe von Parametern beeinflußt, z. B. Effizienz der einge­ setzten Rieseleinbauten, Regendichte der Berieselung, Gütegrad der Wasserver­ teilung auf den Rieselkörper etc., und wird durch experimentelle Ergebnisse ge­ funden. Abweichungen durch Meßfehler z. B. verursachen vor allem im vorste­ hend beschriebenen asymptotischen Kennlinienverlauf immer größer werdende Auslegungsfehler, die schlußendlich eine Auslegung im Extremfall nur noch hypo­ thetisch zulassen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Verdunstungs­ kühlturm so auszugestalten, daß bei geringerer Baugröße auch unter den un­ günstigsten Betriebsbedingungen mit geringerer Ventilatorleistung eine exakte Abkühlung auf die gewünschte Endtemperatur tw2 erzielt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Verdun­ stungskühlturm als Kaskadenkühlturm mit wenigstens zwei autarken Zellen mit jeweils zugehöriger Auffangwanne ausgebildet ist, in denen das Kühlwasser stu­ fenweise auf die gewünschte Endtemperatur heruntergekühlt wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß durch die Abkühlung in zwei oder mehr Schritten nicht nur jede einzelne Kühlturmzelle deutlich kleiner ausfallen kann, wobei sogar die Gesamtgröße kleiner ist als bei der einstufigen vergleichbaren Kühlturmauslegung, sondern daß dabei die Kühlung in Bereiche der Kühlturmkennlinie zu liegen kommt die entsprechend geringere spezifische Luftmassen erfordern. Durch die Verlagerung des Arbeitspunktes in steilere Be­ reiche der parabelförmigen Kennlinie ergibt sich bei vorgegebenem Fehler des Abkühlungsgrades ein sehr viel kleineres Luftverhältnis λ = I₀/I_min das heißt man kann mit einem beherrschbaren vorgebbaren Aufwand die Kühlung bewerkstelli­ gen, was beim einstufigen Arbeiten im asymptotischen Endbereich der Kennlinie praktisch nicht mehr möglich wäre. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung geht demgegenüber die Kennlinientoleranz überschaubarer in die Luftmengenermitt­ lung ein und das Risiko einer Fehlauslegung wird beherrschbar. Die Antriebslei­ stung der Ventilation sinkt und der Kühlturm wird geometrisch kleiner ausfallen, soweit es die Regendichte zuläßt.

Mit besonderem Vorteil sollen die Zellen wasserseitig in Serie geschaltet sein und luftseitig parallel angeströmt werden, wobei im Hinblick auf den Gesamtbauauf­ wand es sich als besonders zweckmäßig erwiesen hat, wenn die Zellen überein­ ander angeordnet sind, und die Auffangwanne jeder Zelle an die Verrieselungs­ einrichtung der jeweils darunterliegenden Zelle angeschlossen ist. Hierdurch er­ gibt sich eine besonders geringe Grundfläche des Kühlturms, wobei in diesen Fällen sich die besonders niedrige Bauhöhe der Kreuzstromkühltürme besonders positiv auswirkt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines z. B. zweizelligen Naß-Kühlturmes mit der Unterteilung in zwei einzelne autarke Kühlturm­ zellen im Gegenstromprinzip,

Fig. 2 eine schematische Zeichnung eines z. B. zweizelligen Naß-Kühlturmes mit der Unterteilung in zwei einzelne autarke Kühlturm­ zellen im Kreuzstromprinzip,

Fig. 3 einen typischen Verlauf von Kühlturmkennlinien für verschiedene Kühlturmkonstanten,

Fig. 4 einen typischen Temperaturverlauf des Kühlwassers innerhalb des Kühlturmes mit endlicher Fläche.

Der in Fig. 1 gezeigte zweizellige Naßkühlturm arbeitet nach dem Gegenstrom- Prinzip und ist wasserseitig in Serie und luftseitig parallel geschaltet. In der Zelle 1 wird das über die Pumpe 3 in die Wasserverteilung 4, dies kann eine Düsenvertei­ lung oder Lochwannenverteilung sein, geförderte warme Kühlwasser in einem er­ sten Schritt auf eine Ablauftemperatur tw1′ abgekühlt, die zwischen der Eintritt­ stemperatur tw1 und der geforderten Austrittstemperatur tw2 liegt. Das ablaufende Kühlwasser wird in einer ersten Kühlturmwanne 5 gesammelt und im weiteren entweder im freien Gefälle oder mit Pumpe 6 in die Wasserverteilung 7 der Zelle 2 befördert. Hier wird das ablaufende Kühlwasser in einem zweiten Schritt auf die gewünschte Austrittstemperatur tw2 abgekühlt und in einer zweiten Ablaufwanne 8 gesammelt. Für die Erzielung des Stoff- und Wärmeaustauschers wird Umge­ bungsluft im Gegenstrom gegen das abrieselnde Wasser mit der Feuchtkugel­ temperatur tf geblasen.

Der in Fig. 2 gezeigte zweizellige Naßkühlturm arbeitet nach dem Kreuzstrom­ prinzip und ist ebenfalls wasserseitig in Serie und luftseitig parallel geschaltet. Auch hier wird in der Zelle 1 das über die Pumpe 3 in die Wasserverteilung 4, dies kann wiederum eine Düsenverteilung oder Lochwannenverteilung sein, geförderte warme Wasser in einem ersten Schritt auf eine Ablauftemperatur tw1′ abgekühlt, die zwischen der Eintrittstemperatur tw1 und der geforderten Austrittstemperatur tw2 liegt. Das ablaufende Kühlwasser wird in einer ersten Kühlturmwanne 5 ge­ sammelt und im weiteren im freien Gefälle in die Wasserverteilung 7 der Zelle 2 befördert. Hier wird das ablaufende Kühlwasser in einem zweiten Schritt auf die gewünschte Austrittstemperatur tw2 abgekühlt und in einer zweiten Ablaufwanne 8 gesammelt. Für die Erzielung des Stoff- und Wärmeaustauschers wird Umge­ bungsluft im Kreuzstrom gegen das abrieselnde Wasser mit der Feuchtkugeltem­ peratur tf geblasen.

Die in Fig. 3 gezeigten Kühlturmkennlinien nach "Recknagel, Sprenger, Hörmann- Verlag Oldenburg - Seite 1615" zeigen oberhalb eines Luftverhältnisses Lambda = 2 einen abflachenden Verlauf der sich asymptotisch einem Endwert bei Lambda = unendlich nähert. Die in Versuchen ermittelten Kühlturmkennlinien sind naturge­ mäß mit Meßtoleranzen behaftet, so daß bei Lambda = 2 eine Änderung des Ab­ kühlgrades um +-2% bei ck = 0,8, entsprechend einem Wert von Eta = 0,686 bis 0,714, eine Lambda-Änderung zwischen etwa 1,85 bis 2,15 gleichkommt, was einer Luftmengenänderung von annähernd +- 7,5% entspricht. Die Auslegung wird also sehr unsicher und kommt bei Lambda-Werten über 2,5 bis 3 einer hypotheti­ schen Auslegung gleich.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Abkühlung in zwei oder mehr Zellen kann der erforderliche Abkühlungsgrad um bis zu ca. 30% gesenkt werden. Im vorstehenden Zahlenbeispiel also auf ca. 0,5. Schwankt der Abkühlungsgrad wie­ der um 2% Meßtoleranz, so schwankt Lambda nur noch etwa zwischen 0,95 bis 1,03, was einer Luftmengenänderung um ca. +- 4% gleichkommt. Die Auslegung wird um ca. 50% sicherer und die erforderliche Luftmenge nimmt um etwa 40 bis 50% ab, ebenso nimmt die erforderliche Antriebsleistung der Ventilation um etwa 40 bis 50% ab, vorausgesetzt, der geometrische Querschnitt des kleineren Kühl­ turmes ergibt eine gleichbleibende Luftgeschwindigkeit und damit gleichbleibende Druckverluste.

Fig. 4 zeigt den typischen Temperaturverlauf der Wasserabkühlung im Naßkühl­ turm zwischen Wasserein- und austritt. Theoretisch kann ein unendlich großer Kühlturm im Ablauf eine Wassertemperatur erreichen, die der Feuchtkugeltempe­ ratur der durchgeblasenen Umgebungsluft gleichkommt. Die endliche Baugröße eines Kühlturmes in der Praxis erzwingt einen Kühlgrenzabstand a und damit eine Ablauftemperatur die um a über der Feuchtkugeltemperatur liegt. Die Strecken b und c definieren den Abkühlungsgrad Eta = b/c = tw1-tw2/tw1-tf. Insbesondere bei Kühlzonenbreiten über 10°K und Kühlgrenzabständen kleiner 4°K ergeben sich erforderliche Abkühlungsgrade von 0,7 und größer. Wird die Abkühlung erfin­ dungsgemäß in beispielsweise zwei Zellen abgearbeitet, findet man iterativ in mehreren Rechenschritten bei Aufteilung der erforderlichen Luftmenge in gleiche Teile Abkühlungsgrade, welche 20 bis 30% kleiner ausfallen. Entsprechend sinkt der tatsächliche Luftbedarf, die geometrischen Abmessungen der Kühlturmzelle werden kleiner und die Antriebsleistung der Ventilation sinkt.

Zusammengefaßt ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kas­ kadenkühlturmes folgende Vorteile:

• 1. Kleinere erforderliche Luftmengen
• 2. Kleinere Kühlturmabmessungen, insbesondere der erforderlichen Grundflä­ che.
• 3. Niedrigere Ventilator-Antriebsleistungen.
• 4. Wesentlich sicherere Kühlturmauslegung, insbesondere bei größerer Kühl­ zonenbreite und kleineren Kühlgrenzabständen.
• 5. Extreme Auslegungsfälle sehr großer Kühlzonenbreiten und sehr kleiner Kühlgrenzabstände sind einstufig nicht zu verwirklichen, können aber zwei- oder mehrstufig beherrscht werden.

Claims (3)

1. Verdunstungskühlturm, bei dem Umgebungsluft entweder von unten nach oben oder horizontal im Kreuzstrom zum vertikal abrieselnden abzukühlen­ dem Kühlwasser eines Produktionsprozesses oder einer Kältemaschine geblasen wird, um das Kühlwasser von einer Eintrittstemperatur tw1 auf ei­ ne niedrigere Temperatur tw2 abzukühlen, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kaskadenkühlturm mit wenigstens zwei autarken Zellen mit jeweils zu­ gehöriger Auffangwanne ausgebildet ist, in denen das Kühlwasser stufen­ weise auf die gewünschte Endtemperatur heruntergekühlt wird.

2. Verdunstungskühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen wasserseitig in Serie geschaltet sind und luftseitig parallel ange­ strömt werden.

3. Verdunstungskühlturm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen übereinander angeordnet sind, wobei die Auffangwanne je­ der Zelle an die Verrieselungseinrichtung der jeweils darunterliegenden Zelle angeschlossen ist.