DE2347883A1

DE2347883A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2347883A1
Application number: DE19732347883
Authority: DE
Inventors: William Howard Frost; John Meier; Jean-Luc Charles Meylan
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1972-09-22
Filing date: 1973-09-20
Publication date: 1974-03-28
Also published as: FR2200492A1; CH557014A; US3913667A; GB1404414A; FR2200492B1

Description

Wärmeaustauscher

Zahlreiche industrielle Prozesse, namentlich auf dem Gebiet der Elektrizitätserzeugung, erfordern die Abgabe großer Wärmemengen an die Umgebung. Diese Abgabe muß bei einer Temperatur, die im allgemeinen möglichst niedrig ist, bei mäßigen Kosten und ohne spürbare Änderung der jeweils maßgebenden klimatischen und ökologischen Umweltbedingungen erfolgen; sie bildet in der Tat eines der dringendsten aktuellen Probleme, die zum Schutz des ökologischen Gleichgewichts zu lösen sind.

Es gibt heute im wesentlichen zwei Lösungen zur Beseitigung der Abwärme der großen thermischen Kraftwerke auf Kernbrennstoff- oder Fossilbrennstoff-Basis: die Abführung in das Wasser eines Flusses oder die Verwendung eines Kühlturms für Naßkühlung.

Die erste dieser Lösungen - die wirtschaftlichste und ein-

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BERLIN: TELEFON (O311) 76 29 07 KABEL: PROPINDUS ■ TELEX O1 84O57

MÜNCHEN: TELEFON (O8 11) 23 55 85 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24244

fachste - ist von begrenzter Anwendbarkeit; tatsächlich beträgt die unter ökologischen Gesichtspunkten zulässige Erwärmung des Wassers nur einige Grade, und dies auch nur insoweit, als die chemische Verunreinigung des Flusses gering ist. In der Schweiz z.B. ist die Wärmeabfuhr in den Rhein und seine Nebenflüsse nicht mehr gestattet, und man kann zugeben, daß die Anzahl der Wärmekraftwerke mit Flußwasserkühlung in West-Europa ziemlich schnell einem Sättigungswert zustrebt.

Die zweite Lösung besteht in der Abfuhr der Wärme . an die Atmosphäre, indem deren Feuchtigkeit vermehrt wird, was sich durch Verdampfen einer gewissen Wassermenge im Innern eines sogenannten "feuchten¹⁵ Kühlturms vollzieht, in dem die Luft durch natürlichen Zug oder mittels Ventilatoren in Umlauf gebracht wird. Diese Lösung weist den Mangel auf, daß sie unter gewissen meteorologischen Bedingungen zum Auftreten lokaler Nebel führt, die häufiger und dichter als natürliche Nebel sind und den Kraftfahrzeugverkehr oder die Luftfahrt in der Nähe eines Flughafens behindern können. Ferner stellen die aus dem Turm austretenden Dampfwolken eine weitere Unannehmlichkeit für die Bevölkerung der Umgebung dar.

Falls die zur Verfügung stehenden Wassermengen zu gering oder die klimatischen Bedingungen derart sind, daß der Zug "feuchter¹¹ Kühltürme unzureichend wird, d.h. in warmen oder sehr trockenen Gebieten, nimmt man seine Zuflucht zu «trockenen" Kühltürmenj in diesen wird die Umgebungsluft erhitzt, ohne daß sich ihr Wasserdampf gehalt erhöht, also ohne das Risiko einer Nebelbildung. Der Hauptmangel der trockenen Kühltürme, so wie sie derzeit konstruiert werden, besteht in ihren hohen Kosten, die sich aus dem großen Umfang der erforderlichen Einrichtungen und der Verwendung von Wärmeaus—

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tauschern von sehr beträchtlicher Oberflächengröße, die durch Rippenrohre gebildet werden, ergeben. Ferner ist die Temperatur der Abwärme (Kondensationstemperatur des im Wärmekreislauf verwendeten Dampfes) höher als für das Kühlungssystem mit feuchten Kühltürmen, was zur Verminderung des Wirkungsgrads der Kraftwerke führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Mangel der vorerwähnten Lösungen, wenigstens teilweise, zu beheben.

Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen Wärmeaustauscher zwischen zwei Fluiden zum Gegenstand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er im wesentlichen horizontale, mit einer Flüssigkeitsquelle verbundene Leitungen umfaßt, die zwischen den Flächen von beiderseitigen Umhüllungen aus nachgiebigem Kunststoff mit hydrophilen inneren Oberflächen angeschlossen sind, welche an diesen Elementen aufgehängt sind, ferner mindestens zwei Verteilerdurchlässe, die jede Leitung mit einer der Innenflächen der entsprechenden Umhüllung verbinden, um auf diesen Flächen Flüssigkeitsfilme zu bilden und wobei mindestens eine Flüssigkeitsabflußöffnung an der Basis jeder Umhüllung so ausgebildet ist, daß die abfließende Flüssigkeit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Umhüllung bildet, und Mittel vorgesehen sind, um ein Entlangströmen von Gas längs der Außenflächender Umhüllungen zu veranlassen.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch beispielsweise eine Ausführungsform und Varianten sowie eine besondere Anwendung des Wärmeaustauschers nach der Erfindung. In ihr zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Querschnitt des Wärmeaustauschers;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Gegenstands von

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Fig. 1 in gegenüber dieser verkleinertem Maßstab;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Fig. 4, die eine Anwendung des Wärmeaustauschers nach Fig. 1 und 2 darstellt}

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV - IV in Fig. 3;

Fig. 5 und 6 Teilansichten, die zwei Varianten einer Einzelheit aus Fig. 1 wiedergeben.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher, der teilweise in Fig. 1 und 2 wiedergegeben ist, wird von Umhüllungen 1 gebildet, die aus Kunststoff-Folien von etwa 0,2 mm Dicke bestehen und z.B. an starren Speiserohren 2 aufgehängt sind, welche an einen (nicht dargestellten) Sammler für die Zufuhr zu kühlenden Wassers angeschlossen sind. Die Basis dieser im übrigen hermetisch abgeschlossenen Umhüllungen ist offen und taucht in einen Behälter 3» der Wasser enthält, welches eine gasdichte Verbindung bildet, im vorliegenden Fall Wasser,, das durch den Wärmeaustauscher selbst gekühlt ist, wie noch zu erläutern sein wird. ·

Aus Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, daß die Innenflächen der Umhüllungen 1 sich an einem durchbrochenen Gerüst abstützen, das z.B. von einem Netz von Kabeln 4 gebildet wird, und die Form eines Gitters, wie in der Zeichnung dargestellt, oder auch jede andere geeignete Form haben kann. Diese Kabelnetze 4 stellen Stützen für beide Seiten der Umhüllung 1 dar. Sie werden durch Federn, Gewichte oder Spanner (nicht dargestellt) unter Spannung gesetzt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich,ist durch die Differenz der Hohen N und N₁ des Wassers im Inneren des Behälters 3 bzw.

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der Umhüllungen 1 der Druck zwischen den Wänden der Umhüllungen 1 etwas höher als der Außendruck. Dieser Druck kann durch das Einführen von Luft oder neutralem Gas in das Innere der Umhüllungen erzeugt werden. Dank des Vorhandenseins dieses Druckes kommen die Wände der Umhüllungen zum dichten Anliegen gegen ihre zugehörigen Kabelnetze und erzeugen eine leichte Wellung der Wände der Umhüllungen zwischen den Stützkabeln.

Wenn Kabel als Gitternetzwerk verwendet werden, können die vertikal verlaufenden Kabel am Boden des Behälters 3 an Befestigungsorganen 5, wie aus Fig. 1 ersichtlich, verankert sein. Bei einer Ausführungsvariante können die horizontal verlaufenden Kabel durch starre Stäbe ersetzt sein.

Um einen guten Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem im Inneren der Umhüllungswände 1 strömenden Wasser und der aussen strömenden Luft zu erhalten, muß man einen stabilen Wasserfilm auf der gesamten Oberfläche der Umhüllungswände bilden. Damit das Wasser in Form eines Films und nicht in getrennten Strömen fließt, ist es notwendig, daß einerseits die Verteilung des Wassers mit einer gleichmäßigen Aufteilung der Strömungsmenge über die gesamte Breite der Kunststoff-Folie erfolgt und andererseits die Oberfläche der die Wände der Umhüllung bildenden Kunststoff-Folie gute Benet.zbarkeitseigenschaften aufweist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weisen die Zuführrohre für das zu kühlende Wasser Durchbohrungen 2a auf, die durch ein Kapillarnetz in Form von(nicht dargestellten) Dochten ergänzt sein können, die dazu bestimmt sind, das Strömen eines gleichmäßigen Wasserfilms 6 auf den Innenflächen der Wände der Umhüllungen 1 zu gewährleisten.

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Bei der Variante nach Fig. 5 ist die Wasserzufuhrleitung mit zwei Schlitzen 2a¹ versehen, die sich im wesentlichen über ihre gesamte Länge erstrecken. Ein schaumiges Material 20, wie z.B. Silikonschaum, ist im Inneren der Leitung vor den Schlitzen 2a¹ in der Weise angebracht, um einen ergänzenden Inhaltsverlust zu bewirken, damit der Zustrom gleichmäßig über die ganze Breite der Umhüllung verteilt wird.

Die Variante nach Fig. 6 enthält eine Zufuhrleitung 2^M in Form einer offenen Rinne. Die Kunststoff-Umhüllung 1^H ist an den Seitenwänden dieser Rinne unter Zwischenschaltung eines kapillaren Materials 21 befestigt, das die Enden der Seitenwände der Leitung 2^tt etwas überragt. Die Flüssigkeit wird der Leitung 2^W zugeführt, bis sie einen Spiegel oberhalb der Höhe der Seitenwände erreicht, damit sie mit dem kapillaren Material 21 in Berührung kommt, um einen Flüssigkeitsfilm 6" an der Oberfläche der Kunststoff-Folie 1" zu bilden.

Hinsichtlich der Auswahl des Kunststoffs bestehen mehrere Lösungen.

Die einfachste Lösung besteht darin, einen Kunststoff mit natürlich hydrophiler Oberfläche zu verwenden, wie z.B. Zelluloseazetat. Dieses Material bietet indessen eine ziemlich geringe Kriechfestigkeit. Mit diesem Material durchgeführte Versuche haben jedoch gezeigt, daß es durchaus möglich ist, daran ein Abfließen von Wasser in Form eines homogenen Films herbeizuführen.

Unter diesen Umständen kann man daran denken, andere Kunststoffarten mit wasserabstoßenden Oberflächen, aber den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu verwenden, indem

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man die zum Überströmen durch Wasser bestimmte Oberfläche hydrophil macht. Man kennt in der Tat in der Textilindustrie radiochemische Verfahren zur Aufbringung eines Monomeren auf ein Polymer.

Man kann somit mittels dieser radiochemischen Veredlungstechnik die Hydrophilie von Athylenpolyterephtalat durch Aufbringung von Äkrylsäure verbessern.

Eine andere Lösung, die allerdings kostspieliger ist, würde im Bedecken einer Seite einer wasserabstoßenden Kunststoff-Folie mit einer Gaze, z.B. aus hydrophiler Baumwolle oder einem anderen billigen Gewebe, bestehen.

Schließlich ist es auch denkbar, daß einem Polymer ein Oberflächenbehandlungsmittel zugeführt wird, um seine Oberfläche hydrophil zu machen.

Die Umhüllungen 1 werden durch Abstandshalter 7 voneinander entfernt gehalten, die sich an den beiderseitigen Kabelnetzen abstützen, welche die benachbarten Seiten von zwei nebeneinander angeordneten Umhüllungen tragen und zwischen ihnen Kanäle für den Umlauf von Kühlluft bilden.

Um die Größenordnung der Abmessungen anzugeben, die der aus solchen Umhüllungen gebildete Wärmeaustauscher aufweisen kann, sei erwähnt, daß die maximale Höhe der Umhüllungen in der Größenordnung von 10 m liegt und daß das Verhältnis zwischen der Dicke der Umhüllungen und dem Abstand zwischen zwei benachbarten Umhüllungen in der Grössenordnung von 1 bis 5 liegt.

Es war von Interesse, experimentell die Wärmebilanz entsprechend der dem Wasser entzogenen und der von der Luft absorbierten Wärmemenge festzustellen. Wärmeübertragungsversuche wurden beim Kühlen des Wasserfilms durch einen

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im Gegenstrom auf der anderen Seite der Kunststoff-Folie fließenden Luftstrom durchgeführt. Die beiden Ströme wurden von den Umgebungsbedingungen isoliert.

Die mittleren Abmessungen des für die Luft bestimmten Durchlasses waren 2 m χ 5 m, und die Strömungsmenge wurde durch Messung der Austrittsgeschwindigkeit bestimmt.

Folgende Ergebnisse wurden erhalten:

Ver	r.	Luft I	Re	Luft;	Λ Τ	)	VJl	(°	m	K	f O	9	⁰C)	Luft
such·	(Kcal/h)	! 1530		26000;	(C		1		C)		(Watt/m; (Watt/m	0	17,	5
	Was ser	; 1450	Was-¹ ser ]	28000^;	Was ser		9 .	11			⁰C)	18,	3
1 ;	1650	i 1350	360	28000	1	j Luft;		11	,8	18,	1 18,	3
² ;	1810	340 .	1,1	\|3,	11	,8	18,
	1920	[500 ,	0,8		,0	18,
			\|2,

C (Kcal/h)

Δ T (⁰C):

t_m (⁰C):

entzogene oder absorbierte Wärmemenge volumetrische Liefermenge (Breite der Folie χ kinematische Viskosität)

Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt des Fluids

mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden

K (Watt/m ⁰C): Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizient «*> (Watt/m ⁰C): theoretischer Wärmeübertragungskoeffizient des Luftstroms

Die Ergebnisse zeigen, daß der Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient,. zwischen V/asser und Luft gemessen, dem theoretischen Wärmeübergangskoeffizienten auf der Luftseite sehr benachbart ist. Das bedeutet, daß der Wärmeaustausch wesentlich durch den Wärmeübergang zwischen der Kunststoff-Folie und der Luft ge-

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steuert wird. Der Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient wurde zu etwa 18 W/m ⁰C gemessen; dieser Wert entspricht den Anforderungen der hier in Betracht gezogenen Anwendung.

Der beschriebene Wärmeaustauscher bietet zahlreiche Vorteile. Unter diesen sind vor allem zu erwähnen, daß' die Kühlung sich ohne Feuchtigkeitsabgabe an die Luft vollzieht. Der Preis der Umhüllungen und der Tragkabelnetze ist sehr beträchtlich niedriger als insbesondere der der gegenwärtig in den "trockenen" Kühltürmen verwendeten Rippenrohre. Das Vorhandensein der gespannten Kabelnetze gestattet es, den Abstand zwischen den Wänden ein und derselben Umhüllung so gleich wie möglich zu halten, wenn die Umhüllung unter Druck gesetzt wird. Dieser Überdruck ist an allen Stellen der Umhüllung vorhanden und unabhängig von den Strömungsverhältnissen in dem Luftumlaufkanal, der zwischen zwei benachbarten Umhüllungen ausgebildet ist. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Umhüllungen wird bestimmt durch die Abstandshalter 7, die sich unmittelbar auf den Kabelnetzen der beiderseitigen Umhüllungen abstützen.

Der beschriebene Wärmeaustauscher eignet sich besonders gut für einen Kühlturm von der in Fig. 3 und 4 dargestellten Art. Dieser Turm ist ein hybrider Turm, in dem die Kühlluft, welche an seiner Basis, wie durch die radialen Pfeile in Fig. 3 veranschaulicht, eintritt, eine erste Ringzone Z, durchströmt, in der das zu kühlende Wasser, ausgehend von einem ringförmigen Sammler 8, in radiale Zerstäubungsleitungen 9 verteilt wird, so daß die Luft, die diese Zone Z^ durchströmt, sich mit Feuchtigkeit belädt, indem sie das Wasser abkühlt. Die durch den hyperbolischen Turm 10 angesaugte Luft strömt dann durch Abscheider 11 und eventuell durch Ventilatoren zu einer zweiten Kühlungs-Ringzone Zp, die genau von einer Reihe von Wärmeaustauschern, ähnlich den nach Fig. 1 und 2, gebildet wird. Die Wärmeaustauscher sind radial angeordnet und werden

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mit zu kühlendem Wasser durch Radialleitungen 12 gespeist, die an einen zweiten ringförmigen Sammler 13 angeschlossen sind.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, umfaßt der Kreislauf des zu kühlenden Wassers eine Heißwasserzuleitung 14, eine den ringförmigen Sammler 13 speisende Pumpe 15» einen ringförmigen Behälter 16, in den die beiderseitigen Unterteile der Wärmeaustauscher eintauchen und in den das an den Oberteilen der Wärmeaustauscher durch die Radialleitungen 12 verteilte Wasser fließt, eine zweite Pumpe 17, die den ringförmigen Sammler 8 speist, und einen zweiten ringförmigen Behälter 18, in den das durch die Leitungen 9 zerstäubte Wasser zurückfließt, worauf das gekühlte Wasser durch die Austrittsleitung 19 abgeführt wird.

Dank des Vorhandenseins dieser beiden konzentrischen Kühlungszonen Z. und Zp wird die Luft, die sich in der Zone Z. mit Feuchtigkeit beladen hat, mindestens teilweise in der Zone Z^ getrocknet, so daß die aus dem Turm austretende erwärmte Luft kein Wasser in kondensierter Form enthält und die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre nicht nennenswert erhöht.

Beispielsweise kann die Höhe dieses Turms in der Größenordnung von 100 m liegen, während sein Durchmesser zwischen 80 und 150 m für eine Kühlleistung von etwa 1000 MWth variieren kann. Zwei solcher Türme sind also notwendig für eine installierte Leistung von 1000 MWeI mit einem thermischen Wirkungsgrad von 33%.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

Wärmeaustauscher, der zwischen zwei Fluiden wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen horizontale, mit einer Flüssigkeitsquelle (15) verbundene Leitungen (2) umfaßt, die zwischen den Flächen von beiderseitigen Umhüllungen (1) aus nachgiebigem Kunststoff mit hydrophilen inneren Oberflächen angeschlossen sind, welche an diesen Elementen aufgehängt sind, ferner mindestens zwei Verteilerdurchlässe (2a), die jede Leitung (2) mit einer der Innenflächen der entsprechenden Umhüllung (1) verbinden, um auf diesen Flächen Flüssigkeitsfilme (6) zu bilden und wobei mindestens eine Flüssigkeitsabflußöffnung (3) an der Basis jeder Umhüllung so ausgebildet ist, daß die abfließende Flüssigkeit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Umhüllung bildet, und Mittel vorgesehen sind, um ein Entlangströmen von Gas längs der Außenflächen der Umhüllungen zu veranlassen.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel für die Zufuhr von unter Druck stehendem Gas in die von den Umhüllungen gebildete, dichte Kammer umfaßt sowie ein durchbrochen ausgebildetes Gerüst (4), das sich längs jeder der Seiten der Umhüllungen (1) zur Begrenzung des Aufblähens derselben erstreckt.

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