DE2442054C3 - Kühlturm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlturm zum Abkühlen des abzukühlenden Kühlmittels einer Maschinenanlage mit einer Rauchgas erzeugenden Maschine, mit wenigstens einem im unteren Teil des Kühlturms angeordneten, von Kühlluft umströmten, das abzukühlende Kühlmittel führenden Wärmetauscher und einer in den Kühlturm mündenden, Rauchgase hoher Temperatur in die im Kühlturm aufsteigende Kühlluft einleitenden Rauchgaszuführung.

Es ist bekannt, daß bei dem kontinuierlichen Betrieb von Gasturbinenanlagen bzw. Gasturbinen oder Explosionsmotoren und von durch diese angetriebenen Arbeitsmaschinen sowohl die einzelnen Maschinenteile, als auch das innerhalb der Anlage strömende Betriebsmittel abgekühlt werden müssen. Die entstandene und durch Abkühlung abzuführende Wärme wird teils durch Reibung an den beweglichen Bauteilen, teils durch die thermodynamischen Prozesse erzeugt. Beispielsweise muß in einer Gasturbine das in den Lagern der Maschine strömende Schmieröl zur Abführung einer zu hohen Wärme abgekühlt werden. Außerdem muß — um den Wirkungsgrad des Kompressors zu erhöhen, das zu verdichtende Arbeitsmittel zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen abgekühlt werden, und manchmal wird es auch erforderlich, das aus dem Kompressor unter hohem Druck austretende Arbeitsmitte! abzukühlen.

ίο

Zum Abführen der von dem Kühlmittel aufgenommenen Wärmemenge können Kühltürme verwendet werden, in deren unterem Teil das abzukühlende Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit unten in den Kaminkühler zugeführter Luft abgekühlt wird. Hierbei ist die Kühlung um so besser, je größer die Strömungsgeschwindigkeit der im Kaminkühler aufsteigenden Luft ist.

Bei einem derartigen bekannten Kühlturm (FR-PS 10 54 296), der zur Abkühlung von in Dampfkraftwerken zum Kühlen verwendetem Wasser verwendet wird, erfolgt der Wärmeaustausch durch Einsprühen des Wassers in eine Kammer im unteren Teil des Kaminkühlers im Gegenstrom mit der dort einströmenden Luft. In dem Dampfkraftwerk anfallende heiße Rauchgase werden in den Kaminkühler über eine zentral darin dicht über der Wärmeaustauschkammer mündende Rauchgaszuführung eingeführt, an deren Mündung Leitschaufeln sitzen können, um eine bessere Verteilung des Rauchgases in der im Kamin aufsteigenden Luft zu erhalten und damit denWärmeinhalt der Rauchgase zur wirksamen Erhöhung des Kaminzuges und damit der Strömungsgeschwindigkeit der Luft auszunutzen. Da aber die Rauchgase wegen ihrer geringen Dichte aufgrund ihrer Temperatur, die höher als die Temperatur der durch den Wärmeaustausch erwärmten Luft ist, schneller als diese aufsteigen und die Rauchgase zentral in diesen Luftstrom eingeführt werden, läßt sich die zur weitestgehenden Ausnutzung des Wärmeinhalts der Rauchgase erforderliche intensive Durchmischung der Rauchgase und der Luft über deren ganzen Strömungsquerschnitt hin auch mit Hilfe der Leitschaufeln nicht erreichen. Außerdem hat bei diesem Kühlturm die Luft durch den unmittelbaren Kontakt mit dem abzukühlenden Wasser einen hohen Feuchtigkeitsgehalt, so daß aus den eingeführten Rauchgasen aggressive Stoffe abgeschieden werden können, die zur Korrosion der Wände des Kühlturms führen können. Bei der bekannten Vorrichtung soll dies durch Fernhalten der Rauchgase von dtii Kühlturmwänden mittels einer entsprechenden Rauchgasführung vermieden werden. Dies steht aber ebenfalls einer Ourchmischung der Rauchgase und der Luft über deren gesamten Strömungsquerschnitt hin entgegen, so daß ein erheblicher Teil der Rauchgaswärme nicht zur Erhöhung des Zuges des Kühlturms und damit des Wärmeaustauschwirkungsgrades ausgenutzt werden kann.

Bei anderen bekannten Kühltürmen der eingangs erwähnten Art (US-PS 32 96 450) wird das abzukühlende Kuhlmittel durch Oberflächen-Wärmetauscher geführt, die im unteren Teil des Kaminkühlers von der eintretenden Luft umströmt werden. Hierbei ist daher die Luftfeuchtigkeit gering. Bei diesem bekannten Kühlturm, der ebenfalls für Dampfkraftwerke vorgesehen ist, werden deren heißen Rauchgase über eine etwa auf halber Höhe des Kamins in diesen zentral mündende Rauchgaszuführung mit Austrittsdiffusor mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen, um durch Ejektorwirkung die Strömungsgeschwindigkeit der aufsteigenden Luft zu erhöhen. Zusätzlich soll auch der Wärmeinhalt dieser Rauchgase zur Aiiftriebserhöhung der Luft beitragen. Wegen der hohen Austrittsgeschwindigkeit der Rauchgase und deren Zuführung vertikal nach oben und in mittlerer Höhe des Kühlturms kann jedoch eine intensive Durchmisehiing der Rauchgase und der Luft noch innerhalb des Kühlturm«, nicht erfolgen, so daß cm beträchtlicher Teil der Wärmeenergie der Rauchgas

für die Auftriebserhöhung der Luft verloren ist.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, einen Kühlturm zu schaffen, bei welchem der Wärmeinhall von der Kühlluft zugeführten heißen Rauchgasen weitestgehend zur Erhöhung des natürlichen Zuges des Kühlturms ausgenutzt wird.

Dies wird erfindungsgemäß mit einem Kühlturm der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Rauchgaszuführung aus einer Mehrzahl nahe dem Wärmetauscher über dessen Kühlluft-Austrittsseite hin iu verlaufenden Verteilerkanälen gebildet ist, die unter Ausbildung von Durchtrittsspalten für die aus dem Wärmetauscher austretende Kühlluft im Abstand voneinander angeordnet sind und in deren Wänden eine Vielzahl von Rauchgasaustriusöffnungen ausgebildet ist.

Hierdurch erfolgt eine intensive Durchmischung der heißen Rauchgase mit der aus dem Wärmetauscher austretenden Kühlluft über deren gesamten Strömungsquerschnitt hin, so daß allein aufgrund des Wärmeinhai- tes der Rauchgase eine beträchtliche Vergrößerung des Auftriebs und damit der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft zustande kommt. Die erfindungsgenäße intensive Durchmischung der Rauchgase und der Kühlluft findet außerdem hinreichend weit unten im Kühlturm statt, so daß auch bei einem Kühlturm von verhältnismäßig geringer Höhe der Wärmeinhalt der Rauchgase zur Erhöhung des Kaminzuges weitestgehend ausgenutzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft für JO Maschinenanlagen, die Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren und davon angetriebene Arbeitsmaschinen enthalten, weil die von diesen erzeugten Rauchgase einen verhältnismäßig hohen Wärmeinhalt haben, der in der erfindungsgemäßen Weise ;:u einer beträchtlichen s=> Erhöhung des Kaminzuges führt. Demgegenüber ist der Wärmeinhalt von aus Dampfkraftwerken abgeführten Rauchgasen vergleichsweise gering, so daß bei diesem Anwendungsfall auch die erzielbare Kaminzugerhöhung geringer ist.

Bevorzugte A .sgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Der erfindungsgemäße Kühlturm wird anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. I schematisch die Kühlanlage eines durch eine Gasturbine angetriebenen Kompressors,

F i g. 2 schematisch einen Kühlturm, und

Fig.3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele eines Kühlturms.

Fig. 1 zeigt einen durch eint Gasturbine angetriebenen Kompressor mit Darstellung von möglichen Kühleinrichtung^. Die in den Niederdruck-Luftkompressor 1 eintretende Luft 17 strömt durch eine zwischengeschaltete Kühleinrichtung 6, von hier aus in den Hochdruck-Luftkompressor 2 und dann durch einen Rekuperator 5 in die Brennkammer 4.

Die Brennkammer wird auch mit dem Heizmittel beschickt, welches dort mit der Luft verbrennt. Das auf diese Weise erzeugte Hochdruck- und Hochtempera- bo tur-Gas treibt die Turbine 3 an und strömt danach durch den Rekuperator 5 als Rauchgas 18 aus.

Durch die Niederdruckstufe 10 und die Hochdruckstufe 11 des an die Welle der Gasturbine angeschlossenen Kompressors wird das Arbeitsmittel 21 kompri- u^r, rniert. Das Arbeitsmittel .71 strömt aus der Niederdruckstufe 10 in den zwischengeschalteten Kühler 13, von hier aus in die Hochdruckstufe I' und endlich durch den Endkühler 14.

Die Lager 9 der Gasturbine werden mit Schmieröl geschmiert, welches in den Lagern erwärmt wird. Der entsprechende ülkreis 19 umfaßt die Ölpumpe 8, welche das Ol in den ölkühler 7 und von hier aus zu den Lagern hin fördert.

Die Lager 12 des Kompressors werden ebenfalls durch Schmieröl geschmiert, wobei der ölkreis 20 von den Lagern 12 durch die ölpumpe 16 und zu dem ölkühler 15 verläuft.

Nach Fig.! werden daher für die beschriebene Anlage zwei ölkühler 7, 15, ein Luftkühler 6 und zwei zur Kühlung des Arbeitsmittels 21 dienende Kühler 13, 14 benötigt. Ähnlich ist der Fall, wenn der Kompressor nicht durch eine Gasturbine, sondern durch einen anderen Verbrennungsmotor, z. B. durch einen Dieselmotor angetrieben wird, jedoch mit dem Unterschied, daß in diesem Fall auch die Zylinder des Dieselmotors gekühlt werden müssen.

Diese Kühlaufgabe kann mittels eines mit einem Wärmetauscher 22 und einem natürliche- Zug erzeugenden Kamin 23 versehenen Kühlturms gelöst werden, in dem das im Wärmetauscher strömende Arbeitsmittel 24 seine Wärme der durch den Wärmetauscher und durch den Kamin strömenden atmosphärischen Luft Ti übergibt (F i£. 2).

In dem Kühlturm wird der Kaminzug durch die Erwärmung der durch den Wärmetauscher strömenden Luft zustande gebracht.

Der Naturzug-Kühlturm, der mit einem Oberflächen-Wärmetauscher versehen ist, ist auch geeignet zur Kühlung von Gasturbinen und von durch Gasturbinen angetriebenen Kompressoranlagen, und zwar dadurch, daß die Wärmetauscher 6, 8, 13, 14, 15 (siehe Fig. I) unmittelbar im Kühlturm angeordnet werden, oder daß die Wärmetauscher durch ein wärmeübertragendes Mittel (Wasser oder eine frostbeständige Flüssigkeit) abgekühlt werden und das wärmeübertragende Mittel im Kühlturm rückgekühlt wird. Diese beiden möglichen Systeme können hier gleichbehandelt werden, weil es im Ergebnis unerheblich ist, was für ein Kühlmittel in dem im Kühlturm angeordneten Wärmetauscher strömt, im folgenden wird daher dieses Kühlmittel einfach als abzukühlendes Kühlmittel bezeichnet.

Beim Betrieb von Gasturbinenanlagen, Verbrennungsmotoren und durch diese angetriebenen Arbeitsmaschinen ist stets eine bedeutende Wärmemenge vorhanden, welche im Verhältnis zu der durch die Kühlung abzuführenden Wärme groß ist und mit dem Rauchgas in die Atmosphäre abgeführt wird. Hiervon ausgehend kann der in einem in solchen Anlagen eingebaute oder damit verbundene Naturzug-Kühlturm infolge der durch die abgeführte Wärme des abzukühlenden Kühlmittels aufgewärmten Luft erzeugte Zug bedeutend dadurch erhöht werden, daß die den Wärmetauscher verlassende Luft durch Zugabe der ebenfalls austretenden Rauchgase großer Menge und hoher Temperatur weiter aufgewärmt wird, was die Erhöhung des Zuges des Kühlturms zur Folge hat. Ein Ausführungsbeispiel hi-.rfür wird anhand der Fig. 3 erläutert.

Gemäß F i g. 3 ist am unteren Teil des Kühlturms d<;r Wärmetauscher 26 eingebaut. Die Luft strömt durch den Wärmetauscher, dadurch wird das abzukühlende Kühlmittel 31 gekühlt und die Luft selbst wird erwärmt. Das aus der Gasturbine strö/r.ende warme Rauchgas 30 ge'angt durch den Rauchgaskanal in die Rauchgas-Verteileranlage 29, an deren Austritt er. sich mit der

aufgewärmten Kühlluft vermischt und mit der Luft zusammen durch den Kamin 27 abströmt.

Die Rauchgas-Verteileranlage 29 besteht aus einer entsprechenden Anzahl hinter dem Wärmetauscher befindlicher vertikaler Verteilerkanäle. In den Seitenwänden der Verteilerkanäle sind Öffnungen vorgesehen, durch die das Rauchgas ausströmt.

Das Rauchgas wird dann mit der zwischen den Vcrteilcrkaiiälen strömenden Luft vermischt. Durch diese Anlage wird der Kaminzug dadurch erhöht, daß das Rauchgas hoher Temperatur auch die Temperatur der Kühlluft erhöht, wodurch das spezifische Gewicht derselben vermindert wird. Dadurch verbessert sich die den Zug erzeugende Wirkung des Kamins. lis ist wichtig, daß das Rauchgas mit der Luft in dem unteren Teil des Kühlturms intensiv vermischt wird. Zu diesem Zweck dient die Raiichgas-Verteileranlagc, die das Rauchgas in der aus dem Wärmetauscher austretenden, relativ gleichmäßig strömenden Luft über deren gesamten Sirömungsquerschnitt hin unmittelbar hinter dem Wärmetauscher verteilt. Die Geschwindigkeit des aus der Rauchgas-Verteileranlage austretenden Rauchgases ist gering, so daß hier — zur Steigerung des Zuges — der bei Lokomotiven angewendete F.jektoreffekt nicht ausgenutzt werden kann.

Hin weiteres Ausführungsbeispiel wird anhand der I- i g. 4 erläutert.

Im oberen Teil des Gehäuses 32 — in dem sowohl die Gasturbine wie auch der Explosions- bzw. Verbrennungsmotor und die Arbeitsmaschine angeordnet sind — ist der Kühlturm ausgebildet. Oberhalb der Lintrittsöffnung 33 für die Kühlluft liegt in einer horizontalen Ilbene der Wärmetauscher 34. Unmittelbar oberhalb desselben befindet sich die Rauchgas-Verteileranlage 35, die das durch den Rauchgaskanal 37 ankommende Rauchgas 38 in dem ganzen Querschnitt des Kamins gleichmäßig verteilt. Die Verteileranlage 35 besteht aus einem System von Vcrteilcrkanälen, die gleich Radspeichen in horizontaler (ibene verlaufen. Das Rauchgas tritt aus Seitenöffnungen der Verteilerkanälc aus. Danach vermischt es sich mit der zwischen den Verteilcrkanälcn strömenden Luft. In dem Schornstein 39 strömt dann eine Mischung 40 von Rauchgas und Kühlluft.

Der Rauchgaskanal kann mit Vorteil durch ein Leilorgan 41 ergänzt werden. In einer von dessen F.ndstellungen strömt das Rauchgas in den Kühlturm, in der anderen gelangt es aber üblicherweise in den koaxial im Kamin 39 angeordneten, als Schornstein ausgebildeten Rauchgasabzug 42. In der Zwischenstcllung strömt das Rauchgas teilweise in den Kaminkühler, teilweise in dem Rauchgasabzug 42. Somit kann die Erhöhung des Zuges, d.h. die Kühlleistung des Kühllurms geregelt werden. Die Regelung kann auch dann erfolgen, wenn der Zug des Rauchgasabzugs 42 größer ist, als der Zug des Kamins 39 für die Rauchgas-Luft-Mischung. Diese Bedingung ist in der l'raxis stets gewährleistet.

Die Regelung der in den Kühlturm strömenden Rauchgasmenge kann auch auf andere Weise durchgeführt werden, wesentlich ist, daß durch die Änderung der Rauchgasmenge die Kühlleistung des Kühlturms sich ändert. Die Wirkung der Anlage wird erhöht, wenn der zur Verteilanlage führende Auspuffkanal kurz ist. Deshaib ist es vorteilhaft, den Kühlturm in der Nähe des Maschin°ngehäuscs anzuordnen.

Die Vorteile der geschilderten Anlage können wie folgt zusammengefaßt werden: Die Abmessungen des Kühlturms (sowohl die Wärmeübergabeflächc. als auch der Kamin) können gegenüber den herkömmlichen Lösungen vermindert werden. Die Rauchgase strömen verdünnt höher und mit höherer I'nergie in die Atmosphäre, so daß die Verunreinigung der Umgebung geringer wird. Die Regelung der Kühlleistung ist einfach.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kühlturm zum Abkühlen des abzukühlenden Kühlmittels einer Maschinenanlage mit einer Rauchgas erzeugenden Maschine, mit wenigstens einem im unteren Teil des Kühlturms angeordneten, von Kühlluft umströmten, das abzukühlende Kühlmittel führenden Wärmetauscher und einer in den Kühlturm mündenden, Rauchgase hoher Temperatur in die im Kühlturm aufsteigende Kühlluft einleitenden Rauchgaszuführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgaszuführung aus einer Mehrzahl nahe dem Wärmetauscher (26,34) über dessen Kühlluftaustrittsseite hin verlaufenden Verteilerkanälen (29,35) gebildet ist, die unter Ausbildung von Durchtrittsspalten für die aus dem Wärmetauscher austretende Kühlluft im Abstand voneinander angeordnet sind und in deren Wänden eine Vielzahl von Rauchgasaustrittsöfmungen ausgebildet ist.

2. Kühlturm navh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (34) oberhalb der Eintrittsöffnungen der Kühlluft in den Kühlturm horizontal angeordnet ist und die Verteilerkanäle (35) über dem Wärmetauscher radspeichenartig verteilt angeordnet sind.

3. Kühlturm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jen Verteüerkanälen ein Leitorgan (41) zugeordnet ist, durch welches die Menge des über die Verteilerkanäle (35) in den Kühlturm eingeleiteten Rauchgases entsprechend dem jeweiligen KüMleistungsbedarf regelbar ist.

4. Kühlturm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kühlturm koaxial ein Rauchgasabzug (42) angeordnet ist und durch das Leitorgan (41) die Rauchgaszufuhr in die Verteilerkanäle (35) und den Rauchgasabzug (42) gesteuert ist.