DE2116451A1

DE2116451A1 - Einrichtung zum Abführen von in Wärmekraftanlagen anfallender Verlustwärme

Info

Publication number: DE2116451A1
Application number: DE19712116451
Authority: DE
Inventors: Paul Madison Pa. Cohen (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-04-03
Publication date: 1971-10-28
Also published as: AT308776B; JPS464441A; US3666246A; CH522866A; CA920831A

Description

WESTINGHOUSE Erlangen, 2.4.71

SJtSSgS⁰ST¹SsA⁰" Werner-von-Siemens-StraSe

Mein Zeichen:

VPA 71/8933 Skn/Di

Einrichtung zum Abführen von in Wärmekraftanlagen anfallender Verlustwärme

Es wird die Priorität der US-Anmeldung Serial No. 26.198 vom 7.4.1970 in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Abführen von in Wärmekraftanlagen, insbesondere Turbinenkondensatoren anfallender Verlustwärme über einen Flüssigkeits-Rückkühlkreislauf an die Umgebungsluft unter Versprühen oder Verrieseln der Flüssigkeit nach Art eines Naßkühlturmes oder einer ähnlichen Anordnung. Es ist bekannt, zur Rückkühlung des Flüssigkeitskreislaufes für Turbinenkondensatoren Naßkühltürme zu verwenden, die mit Naturzug oder Zwangsbelüftung arbeiten und die Wärme an die Atmosphäre abführen. Nachteilig ist hierbei der Wasserverlust durch Verdampfen infolge des Versprühens. Die Umgebungsluft wird dadurch vernebelt und kostbares Wasser geht verloren.

In den gebräuchlichen Kühltürmen verwendet man zur Wärmeübertragung meist Wasser hinreichender Reinheit als Arbeitsmittel für den Flüssigkeitsrückkühlkreis. Innerhalb des Kühlturmes fließt das Wasser über Hindernisse und Packungen abwärts oder kann durch geeignete Sprüheinrichtungen zerstäubt werden. Der Luftstrom verläuft aufwärts oder quer zur Bewegung des Wassers und nimmt von dem Wasser die Wärme durch Konvektion und durch adiabatische Befeuchtung auf. Gewöhnlich werden ungefähr 70 $ des Wärmeüberganges durch Verdampfung bewirkt, auch unter sehr feuchten Bedingungen, sodaß ein entsprechend hoher

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Wasserbedarf notwendig ist.

Wenn man die geschilderten Nachteile bei Kühltürmen vermeiden will, mußte man bisher auf sogenannte Trockenkühltürme übergehen, bei denen der Wärmeübergang zur Atmosphäre durch Rohrwände hindurch erfolgt, wobei aber der bauliche Aufwand erheblich anwächst und hohe Kosten für das umfangreiche Rohrsystem entstehen.

Demgegenüber erlaubt die Erfindung die Verwendung eines Naß- ^ kühlturmes, ohne daß dabei die Vorteile des Trockenkühlturmes, nämlich die Vermeidung von Wasserverlusten, verloren gehen, wobei sich aber die Kosten auf der niedrigen Höhe eines Naßkühlturmes halten. Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß die Flüssigkeit des Rückkühlkreislaufes durch eine wässrige lösung oder Suspension unter Zusatz von Stoffen solcher Art gebildet ist, daß bei den vorhandenen Werten von Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft ein Wasserverlust vollständig oder nahezu vollständig vermieden wird. Zur Bildung der wässrigen Lösung kann dabei mindestens ein Stoff der Magne3iiim-Chlorid, Lithium-Chlorid und Lithium-Bromid angehörenden Gruppe herangezogen werden. Mit besonderem Vorteil wird das Salz der wässrigen Lösung durch Magnesium-Ohlorid gebildet. Als besonders W günstig hat sich eine Menge von etwa 50 bis etwa 60 g Magnesium-Chlorid pro 100 g Wasser in der wässrigen Lösung erwiesen.

• An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in stark vereinfachter Darstellung.

Es handelt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Rückkühlanlage für den Turbinenkondensator eines Dampfkraftwerkes. Der Kondensator ist hierbei mit 10, der Kühlturm mit 12 und der Flüssigkeitsrückkühlkreislauf mit H bezeichnet.

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Das Kreislaufsystem 14 enthält eine Ansaugleitung 16 vom Sammelbecken 18 unterhalb des Kühlturmes 12, wobei die Umwälzpumpe 20 die Rückkühlflüssigkeit in den Kreislauf 14 pumpt. Die Rückleitung ist mit 22 bezeichnet. Eine Bypaßleitung 24 verbindet die Leitungen 16 und 22 unter Umgehung des Kondensators 10.

Der Kondensator 10 ist von üblicher Bauart und mit einer Vielzahl von parallelen langgestreckten Wärmeaustauschrohren versehen, die an ihrem linken Ende mit der Leitung 16 und an ihrem rechten Ende mit der Leitung 22 in Verbindung stehen. Der Kondensator 10 steht über die Abdampfleitung 28 mit der Dampfturbine 26 in Verbindung. Das im Kondensator 10 anfallende Kondensat wird über die Leitung 30 in nicht näher dargestellter Weise abgeführt und in den Dampfkreislauf gegeben.

Im Kühlturm 12 findet die Rückkühlung der Flüssigkeit des Rückkühlkreislaufes statt. Die Flüssigkeit wird innerhalb des Turmes 12 durch ein Sprühsystem 32, das an die Leitung 22 angeschlossen ist, fein verteilt, sodaß durch eine Vielzahl von Sprühdüsen 34 und einer dementsprechend großen Anzahl von feinen Sprühstrahlen die Lösung einen feinen Nebel oder Regen ergibt, der einen großflächigen Wärmeübergang zwischen der Lösung einerseits und dem Luftstrom andererseits bewirkt. Die Luftströme in Richtung der Pfeile 36 verlaufen bei Naturzug des Turmes von unten her in diesen hinein, wobei naturgemäß auch eine Zwangsförderung durch nicht näher dargestellte Ventilatoren vorgesehen sein kann.

Der untere Teil des Kühlturmes kann im Bereich oder unterhalb des Sprühsystems 32 mit geeigneten Hindernissen, Kaskaden, Packungen usw. versehen sein, über die die Flüssigkeit herabrieselt, um schließlich im Sammelbecken 38 aufgefangen zu werden. Auf dem Wege vom Sprühsystem 32 zum Sammelbecken 18 überträgt die Flüssigkeit ihren Wärmeinhalt an die Luft, die ihrerseits nach oben hinaufsteigt und schließlich am oberen

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Ende des Kühlturmes diesen in Richtung des Pfeiles 40 verläßt. Die Flüssigkeit im Sammelbehälter 38 wird nach erfolgter Abkühlung mit Hilfe der Pumpe 20 über die leitung 60 dem Kondensator wieder zugeführt, wobei sie ununterbrochen zirkuliert, solange die Turbine 26 arbeitet.

Normalerweise würden bei einem Naßkühlturm die Luftströme 36, die mit der versprühten Flüssigkeit zusammenkommen, mit Wasserdampf gesättigt, da sie über einen großen Bereich im Kühlturm der Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Das Wasser wird auf diese Weise nach oben weggeführt und gelangt aus dem Turm heraus in Form von Dampf mit einem Partialdruck, der durch die Temperatur der Atmosphäre bestimmt wird. Die Verdampfung und damit der Wasserverlust sollen aber durch die Erfindung vermieden werden.

Zu diesem Zweck wird die Flüssigkeit 38 durch eine wässrige Lösung mit mindestens einem hochlöslichen Salz oder einem anderen Zusatz solcher Art gebildet, daß hierdurch' eine Erniedrigung des Dampfdruckes des Wassers stattfindet, in dem die Salze oder sonstigen Stoffe gelöst sind. Wenn man beispielsweise Lithium-Bromid, Lithium-Chlorid, Calzium-Chlorid, Magnesium-Chlorid usw. verwendet, wobei diese Salze und Stoffe hochlöslich in Wasser sind? zeichnet sich eine derartige Lösung durch einen relativ niedrigen Dampfdruck unter den Temperaturbedingungen der Umgebuagsluft im Vergleich zu reinem Wasser aus. Wenn demgemäß die Luftströmungen 36 mit den Tropfen der versprühten Flüssigkeit in Berührung kommen, tritt beim Wärmeaustausch der Flüssigkeit mit der Luft keine nennenswerte oder überhaupt keine Verdampfung des Wassers ein, im Gegenteil kann gegebenenfalls sogar von relativ feuchter Luft Wasser absorbiert werden.

Als Salz hat sich Magnesium-Chlorid als besonders günstig erwiesen, wobei eine Menge von etwa 50 bis etwa 60 Gramm pro 100 Gramm Wasser in Betracht kommt und der benötigte SaIz-

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gehalt sich etwa proportional mit der Betriebstemperatur verhält. Ein günstiger Bereich liegt innerhalb von etwa 53 bis etwa 56 Gramm mit einem Optimum von ungefähr 35 Gramm für 100 Gramm Wasser. Als Beispiel soll die folgende Bemessung betrachtet werden:

Fünf gesättigte lösungen von Magnesium-Chlorid mit Kristallen von MgCl₂.6H₂O in Lösung wurden bei innerhalb von 0° und 4O⁰C veränderten Temperaturen untersucht. Der entsprechende Dampfdruck des Wassers solcher Lösungen ist in der folgenden Tabelle aufgezeichnet.

Tabelle

Dampfdruck von Lösungen von MgCl₂ im Gleichgewicht mit MgCl₂-OH₂O

MgCl₂-6H₂O g MgCl₂

Temperatur ⁰C	Dampfdruck von H₂O in mm/Hg.	6H₂O	- 100 g H₂O
O	1.56		52.3
10	3.08		53.5
20	5.77		54.7
30	10.3		56.1
40	17.4		57.6

Hierzu ist zu bemerken, daß die Zusammensetzung der gesättigten Lösungen sich nur gering mit den Temperaturschwankungen ändert.

Uimmt man den Fall an, daß die Temperatur T₁ der Lösung beim Eintritt in den Kondensator 2O⁰C beträgt und die Ausgangstemperatur T₂ 3O⁰C und die Temperatur T^ der in den Kühlturm eindringenden Luft 20⁰C bei 50 # Feuchte beträgt, ergibt sich ein absoluter Wasserdampfdruck von 8,77 mm Quecksilbersäule. Wegen dea guten Wärmekontaktes zwischen der Lösung und der

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Luft innerhalb des Kühlturmes kann man annehmen, daß die Lufttemperatur T₅ am oberen Austritt des Kühlturmes gleich der Eintrittstemperatur T₅ der Lösung in dem Kühlturm ist. Eine geringe Temperaturdifferenz spielt keine Rolle. Aus der Tabelle kann man entnehmen, daß eine bestimmte Temperatur T, gewählt werden kann, bei der der Wasserdampfdruck der gesättigten Lösung den Wert von 8,77 mm Quecksilbersäule annimmt, wobei sich jetzt ein Wert von 27,8⁰G für T, ergibt. Wegen des ausgezeichneten Wärmetransports, der durch das Ver sprühen bedingt ist, wird die Temperatur Tg der sich im Sammelbehälter 18 aufgefangenen erwärmten Lösung mit einer vernachlässigbaren Temperaturdifferenz etwa gleich T, annehmen lassen. Wenn man weiterhin eine konstante Wärmekapazität annimmt, so ist die Beziehung der Flüsse F₂ / P₁ durch folgende Formeln gegeben:

P₁ (2.2) = P₂(IO) (2)

2.2

Ρ₂/Ρ_χ - 2.2 = 0.22 (3)

Die Formel 3 besagt also, daß ein Umlauf von 22 # des Kondensatorkühlmittels die Grenzwert-Bedingung darstellt, bei der der Wasserübergang in dem Kühlturm zu Null wird. Demgemäß kann eine Regelung dadurch vorgenommen werden, daß man den Taupunkt der Luft am Einlaß und am Auslaß des Kühlturmes mißt und den Anteil des umgewälzten Kühlmittels jeweils so groß bemißt, daß diese Werte gleich bleiben. Der Plußwert P₁ und der Kühlturm selbst bestimmen die Kühlkapazität des Systems. In umgekehrter Weise kann das System auch so betrieben werden, daß man Feuchtigkeit aus der Luft während Perioden hoher Luftfeuchte entfernen kann. Die so aufgespeicherte Feuchtigkeit kann dann während Perioden geringer Luftfeuchte verdampft werden. Auf diese Weise arbeitet der Kühlturm zeitweise auch als Verdampfungseinrichtung und kann Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen.

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Im Sinne der Erfindung können für gebräuchliche Zusammensetzungen von Lösungen jeweils die Eintritts- und Austrittstemperaturen der Lösung und eine Regelung des Umlaufs des Kühlmittels vorgenommen werden, wobei der Taupunkt der erhitzten Luft gleich gemacht wird dem der kalten eintretenden Luft, um auf diese Weise keine Feuchtigkeit zu übertragen. Wenngleich auch in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel eine Dampfkondensationseinrichtung dargestellt ist, hat die Erfindung auch Bedeutung für andere Arbeitssysteme, bei denen z.B. Gasturbinen im Bereich ihrer Verdichter mit Zwischenkühlung arbeiten und demgemäß zu vernichtende Wärme anfällt. Die Anordnung nach der Erfindung erfüllt die eingangs erwähnten Forderungen durch ein preiswertes System zur Vernichtung von Verlustwärme bei Wärmekraftanlagen, ohne dabei Wasser verdampfen zu müssen und ohne daß aufbereitetes Wasser benötigt würde. Die Erfindung vermeidet die Berücksichtigung meteorologischer Besonderheiten innerhalb eines weiten Bereiches der Wasserverdampfung.

6 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur Abführung von in Wärmekraftanlagen, insbesondere Turbinenkondensatoren anfallender Verlustwärme über einen Flüssigkeits-Rückkühlkreislauf an die Umgebungsluft unter Verrieseln oder Versprühen der Flüssigkeit nach Art eines Naßkühlturmes oder einer ähnlichen Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch eine wässrige Lösung oder Suspension unter Zusatz von Stoffen solcher Art gebildet ist, daß bei den vorhandenen Werten von Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft ein Wasserverlust vollständig oder nahezu vollständig vermieden wird.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige Lösung mindestens eine Komponente der Gruppe enthält, der Magnesium-Chlorid, Lithium-Chlorid und Lithium-Bromid angehören.

Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in der wässrigen Lösung durch Magnesium-Chlorid gebildet ist.

Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil von etwa 50 bis etwa 60 Gramm, insbesondere 55 Gramm Magnesium-Chlorid für 100 Gramm Wasser vorgesehen ist.

Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine insbesondere alt einer Bypaßleitung ausgestattete Regelvorrichtung für den Rückkühlkreislauf zur Beeinflussung der Temperatur im Bereich der Verrieselung oder Versprühung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur und Luftfeuchte.

Einrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch eine Temperaturregelung unter Messung der Taupunktwerte am Luftein- und -austritt.

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