DE2509339A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Kungsholms Kyrkoplan 6, S-112 24 Stockholm, Schweden

Wärmeaustauscher

Die Erfindung bezieht sich-auf eine Anordnung für die gleichzeitige Wärme- und Massenübertragung zwischen Flüssigkeiten und Gasen in einer Wärmeaustauschereinrichtung, z.B. einem Kühlturm, einem Absorptionsturm, .einer Destillationskolonne, einer Befeuchtungseinrichtung, einem offenen Wärmeaustauscher od. dergl., welche mit zwangsläufiger Gasführung arbeitet und ein Gehäuse in Form eines zylindrischen, konischen,

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rotationssymmetrischen oder pseudorotationssymmetriscüieh Behälters etwa mit polygonaler Querschnittsform und mit einer Vielzahl von Gaseinlässen in der Gehäusewandung auf v/eist, sowie wenigstens einen Auslaß in wenigstens einer Stirnseite des Gehäuses.

In herkömmlichen Kühltürmen, in denen Wasser durch teilweise Verdampfung in Luft gekühlt wird, strömt die Luft gewöhnlich aufwärts durch den Kühlturm, während das Wasser im Gegenstrom zur Luft in Form von kleinen Tropfen oder dünnen Schichten auf einer im Kühlturm vorhandenen Packung abwärts fließt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Kühlturm ist normalerweise auf etwa 2 bis 3 m/sec. begrenzt. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten würde die Luft nämlich kleine Tropfen aus den Wasserschichten auf der Kühlturmpackung mitreißen. Diese Tropfen gingen dann mit der ausströmenden Luft verloren. Die mittels Düsen in einem Kühlturm versprühten und die sich auf der- Kühlturmpackung bildenden Tropfen dürfen weder zu ; groß noch zu klein sein. Damit die Tropfen im Gegenstrom zur Luft abwärts fallen, sollten sie Durchmesser von, wenigstens etwa 2 mm haben. Bei Tropfen dieser Größe ist jedoch die Zeit, in welcher sie durch den Kühlturm fallen, zu kurz für eine ausreichende Kühlung. In dieser Hinsicht sollten die Tropfen also kleinere Durchmesser von höchstens etwa 0,5 mm haben. Dabei sind sie dann jedoch so klein, daß sie von der ausströmenden Luft mitgerissen werden. Aus diesen beiden einander widersprechenden Gründen sowie aufgrund der Tatsache, daß die Tropfengröße in einem weiten Bereich zwischen Durchmessern von 0,01 und 5 mm schwankt, ist das Kühlen von Wasser in reiner Tropfenform nicht zweckmäßig. Aus diesem Grunde werden bekannte Kühltürme mit einer Packung aus hölzernen Stäben, Wellblech oder Kunststoffplatten versehen. Das in dünnen Schichten über eine solche Packung fließende Wasser bietet dem Gas eine große Berührungsfläche dar. *

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Wenn es nun die Möglichkeit gäbe, Wasser in Form von kleinen, sich im Gegenstrom zur Luft bewegenden Tropfen zu kühlen, so könnte dies äußerst vorteilhaft sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Möglichkeit zu schaffen und damit beträchtliche Vorteile gegenüber bekannten Kühltürmen zu erzielen.

Diese Aufgabe ist bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Gaseinlässe durch Leitbleche gebildet oder mit solchen versehen sind, welche die Gasströmung tangential einwärts in das Gehäuse leiten, so daß das mittels wenigstens eines Gebläses an der Auslaß- und/oder Einlaßseite des Gehäuses in dieses eingeführte Gas, beispielsweise Luft, sich in kreisender Bewegung mit einer radial einwärts zur Mitte des Gehäuses gerichteten Geschwindigkeitskomponente um die Achse des Gehäuses herum bewegt, und daß die mit dem Gas in Berührung zu bringende Flüssigkeit mittels Injektoreinrichtungen, beispielsweise Düsen, Schleuderscheiben od. dergl., derart im Gehäuse versprüht wird, daß sich die dabei entstehenden Flüssigkeitstropfen unter dem Einfluß der kreisenden Gasströmung, der Fliehkraft und der restlichen Anfangsgeschwindigkeit im Gegenstrom zu dem auf die Mittelachse des Gehäuses zu strömenden Gas radial auswärts oder in einem Winkel zum jeweiligen Radius bewegen.

Die Erfindung beruht also auf dem Grundgedanken, daß die Luft im Kühlturm in kreisende Bewegung versetzt und das Wasser in kleinen Tropfen in die kreisende Luftströmung versprüht wird. Die Tropfen bewegen sich dann unter dem Einfluß der kreisenden Luftströmung, der Fliehkraft und der gegebenenfalls noch vorhandenen Anfangsgeschwindigkeit im Gegenstrom zur Luft auswärts. In dieser Hinsicht ist die Fliehkraft von ausschlaggebender Bedeutung, da sie die Bewegung selbst kleinster Tröpfchen im Gegenstrom

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zur Luft und damit eine gute Wärmeübertragung ermöglicht. Ferner ermöglicht die fliehkraft das Ausscheiden von Wassertropfen aus der ausströmenden Luft.

Der Kühlturm hat vorzugsweise die Form eines Zylinders mit öffnungen für den Lufteintritt im Zylindermantel. Die öffnungen sind durch Leitbleche gebildet oder mit solchen versehen, um die Luft tangential einzuleiten. Anstelle einer zylindrischen Form können auch andere, z.B. konische, rotationssymmetrische oder pseudorotationssymmetrische Formen mit polygonalem oder ähnlichem Querschnitt zur Anwendung kommen. Die im Kühlturm in kreisender Bewegung befindliche Luft reißt insbesondere die kleineren Wassertropfen mit, so daß diese einer Fliehkraft ausgesetzt sind und sich, unter dem zusätzlichen Einfluß ihrer Anfangsgeschwindigkeit, im Gegenstrom bzw. im Querstrom zur Luft auswärts bewegen.

Im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst starken Gegenstroms bzw. Querstroms von Wasser und Luft ist für die einströmende Luft eine größere Anzahl von öffnungen im Zylindermantel vorgesehen.

Die in der vorstehend beschriebenen Weise auf die Wassertropfen einwirkenden Fliehkräfte können ohne Schwierigkeit größer gehalten werden als die von der Luftströmung ausgeübten, einwärts gerichteten Kräfte. So kann die gesamte Anordnung etwa so ausgelegt sein, daß alle Tröpfchen mit Durchmessern von weniger als 10 um auswärts zum Zylindermantel getragen werden und sich auf diesem niederschlagen. Hier ist zusätzlich zu bemerken, daß der Anteil der Wassertröpfchen mit Durchmessern von weniger als 10 um gewöhnlich kleiner als 0,1% ist.

Somit erhält man also bei kleinen Tropfendurchmessern eine wirksame Gegen- bzw. Querstromführung bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Tropfen und der

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Luft. Durch die feine Zerstäubung des Wassers läßt sich mit geringem Aufwand eine große Berührungsfläche zwischen Luft und Wasser erzielen, so daß eine äußerst wirksame Wärmeübertragung möglich ist.

Die Luft verläßt den Kühlturm über wenigstens einen Auslaß an wenigstens einer Stirnseite. Der Kühlturm braucht nich als aufrechtstehende Säule ausgebildet zu sein. Da in der erfindungsgemäßen Anordnung hauptsächlich Fliehkräfte genutzt werden, der Einfluß der Schwerkraft also sehr gering ist, kann das zylindrische Gehäuse auch mit waagerecht liegender Achse angeordnet v/erden. In diesem Falle können Luftauslässe an beiden Stirnseiten vorhanden sein, welche dann jeweils eine kleinere Durchlaßfläche haben, wodurch sich die Kosten für den Kühlturm verringern lassen.

Der erfindungsgemäße Kühlturm kann so eingerichtet sein, daß im oberen Teil keinerlei Luft oder V/asser zugeführt wird und dieses Teil allein als Wasserabscheider arbeitet. Dabei kann das obere Teil den gleichen Durchmesser haben wie das untere, hat jedoch zur Erzielung eines wirksamen Gegenstroms vorzugsweise wenigstens zum Teil einen kleineren Durchmesser. Sofern der Auslaß einen kleineren Radius hat als der Teil des Kühlturms, in welchem die Kühlung stattfindet, so sind die Wasserdüsen vorzugsweise mit dem gleichen Radius um die Zylinderachse herum angeordnet. Hat der Luftauslaß einen kleineren Durchmesser als der eigentliche Zylinder oder Kühlraum, so ergibt sich eine verbesserte Abscheidung des Wassers.

Die Wasserabscheidung kann weiter dadurch verbessert sein, daß die Luft auch im Auslaß in kreisender Bewegung gehalten wird. Zum Abführen von im Auslaß niedergeschlagenem Wasser kann dessen zylindrische Wandung von einem einwärts offenen Ringkanal umgeben sein. Im Auslaß kann

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ferner wenigstens ein an beiden Enden offener, gegebenenfalls ebenso mit einem Ringkanal versehender Leitring konzentrisch angeordnet sein.

Die Abfuhr des niedergeschlagenen Wassers kann auf einige wenige Stellen beschränkt sein, so daß man große, im -i" freien Fall wenig gestörte Tropfen erhält.

Die kinetische Energie der im Auslaß in kreisender Bewegung befindlichen Luft kann mittels im Auslaß angeordneter Leitschaufeln wenigstens zum Teil rückgewonnen bzw. vernichtet werden. Die kinetische Energie läßt sich auch dadurch rückgewinnen bzw. vernichten, daß der Drehsinn des Gebläses der Umlaufrichtung der Luftströmung entgegengesetzt ist und die Gebläseflügel einen solchen Anstellwinkel haben, daß die umlaufende Luftströmung im wesentlichen aufgehoben wird.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. i eine schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlturms in senkrechtem Schnitt entsprechend der Linie 1-1 in Fig. 2 und

Fig. 2 eine Ansicht des Kühlturms in waagerechtem Schnitt.

In der Zeichnung erkennt man einen im wesentlichen zylindrischen Kühlturm, dessen Innenraum 1 nicht von einem geschlossenen Mantel, sondern durch eine Anordnung von Leitblechen 2 begrenzt ist. Zwischen den Leitblechen 2 vorhandene Öffnungen 3 bilden Einlasse für in den Kühlturm einströmende Luft. Die Leitbleche 2 können fest angeordnet, oder auch um senkrechte Achse 4 verdrehbar sein., so daß sich die Weise der Einlasse 3 verändern läßt. Die Leitbleche 2 leiten die Luftströmung tangential in den Innenraum 1. Der Kühlturm kann auch einen zylindrischen

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Mantel haben, mit einer Anzahl von Einlassen, welche nach Art von Leitblechen ausgebildet oder mit solchen versehen sind, mn die Luft tangential einzuleiten. Die Luft wird mittels eines Gebläses 5 in den Kühlturm gesaugt. Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Luft mittels eines an der Einlaßseite angeordneten Gebläses in den Turm zu. blasen. In beiden .Fällen können wahlweise Radial- oder Axialgebläse verwendet werden^

Das zu kühlende Wasser wird mittels einer Pumpe 6 einer Anordnung von Düsen 7 zum Zerstäuben des Wassers zugeführt. Die Düsen 7 können mit Wasserdruck, Ultraschall oder Druckluft arbeiten oder mit rotierenden Schleuderscheiben od. dergl. zusammenwirken. Das Wasser kann in radialer Richtung zerstäubt werden, vorzugsweise sind die Düsen jedoch in der Eichtung der tangential einströmenden Luft angeordnet oder dieser entgegengerichtet. Die Düsen 7 sind vorzugsweise an im wesentlichen parallel zur Achse des Kühlturms verlaufenden, verdrehbaren Rohren 8 angesetzt, so daß sie .sich in verschiedene Richtungen einstellen lassen.

Die Rohre 8 dienen gleichzeitig der Zufuhr des Wassers und als Halterungen für die Düsen 7· Das gekühlte Wasser wird in einem am unteren Ende des Turms angeordneten Becken 9 gesammelt. Das zerstäubte Wasser schlägt sich auf den Leitblechen 2 bzw. am Zylindermantel nieder und fließt abwärts durch einen ringförmigen Durchlaß ΊΟ in das Becken 9· Ein das Becken 9 abdeckender Boden 11 des Turms verhindert, daß das im Becken vorhandene Wasser von der kreisenden Luftströmung aufgewühlt und mitgerissen wird. Von dem Becken 9 aus wird das gekühlte Wasser einer zu kühlenden Einrichtung 12, etwa einem Kondensator, zugeleitet.

In einem Kühlturm mit kleinerem Durchmesser kann das Wasser nahe der Mittelachse injiziert werden. Bei Kühl—

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türmen größeren Durchmessers kann es jedoch zweckmäßig sein, das Wasser in einem Abstand von etxva 0,8 in von der Innenfläche des Zylindermantels zu injizieren. Dadurch ist die Strecke, welche die Tropfen im Turm zu durchqueren haben, vorgegeben. Die Länge dieser Strecke ist im Hinblick auf die wirksame Kühlung der Tropfen von wesentlicher Bedeutung.

Der Auslaß für die Luft ist von einem Ringkanal 13 für die Abfuhr von niedergeschlagenem Wasser umgeben. Ein konzentrisch im Auslaß angeordneter zylindrischer Leitring 14 verbessert die Abscheidung des Wassers und kann ebenfalls mit einem Ringkanal versehen sein. Aus den radial einwärts offenen Ringkanälen wird das gesammelte Wasser über Leitungen 15 zum Becken 9 abgeführt.

Aufgrund der kreisenden Luftströmung im Kühlturm ist der Luftdruck nahe dem Zylindermantel höher als zur Mitte hin, damit auch höher als an dem in wenigstens einer Stirnwand vorhandenen Auslaß, sofern dieser einen kleineren Durchmesser hat als der übrige Turm. Bei einem senkrechten Kühlturm bildet sich daher eine an der den Auslaß umgebenden oberen Stirnwand anhaftende Wasserschicht. Die Luftströmung verhindert das Abfließen dieser Wasserschicht, so daß sie ziemlich dick werden kann. Unter Einwirkung der Druckunterschiede wandert die Wasserschicht einwärts zum Luftauslaß, wobei dann \fenigstens ein Teil des Wassers von der den Auslaß durchströmenden Luft mitgerissen wird. Dies läßt sich jedoch dadurch verhindern, daß die den Auslaß umgebende obere Stirnwand 16 des Turms eine leicht konische, von der Mitte her schräg abwärts verlaufende Form erhält. Der Höhenunterschied zwischen dem Luftauslaß und dem oberen Ende des Zylindermantels, gemessen in mm, muß dabei größer sein als der Druckunterschied zwischen dem Zylindermantel und dem Luftauslaß, gemessen

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in mm Vasersäule. Vorzugsweise ist auch der Boden 11 von der Mitte her zu den Rändern abwärts geneigt, um eine Ansammlung des Wassers in der Mitte zu vermeiden.

Das Wasser kann an der oberen Stirnwand 16 auch mittels Leitschaufeln, Blechstreifen od. dergl. auswärts abgeführt werden.

Palis die Gefahr besteht, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Kühlturm zu hoch wird, kann es zweckmäßig sein, die Querschnittsfläche, am Auslaß nicht zu verringern, so daß der Kühlturm über seine gesamte Länge den gleichen Durchmesser hat.

Die Wassertropfen sollen in möglichst gleichmäßiger Verteilung in den Kühlturm gelangen. Eine solche gleichmäßige Verteilung wird durch die an den Düsen 7 vorüberstreichende Luftströmung begünstigt. Bei der dargestellten Anordnung mit in senkrechten Reihen übereinander an senkrechten Rohren angeordneten Düsen sind diese daher an einander benachbarten Rohren vorzugsweise in verschiedener Höhe angeordnet.

Das Wasser soll in Form von möglichst kleinen Tröpfchen zerstäubt werden. Bei niedrigen Wasserdrücken verwendet man daher zx^eckmäßig Düsen mit kleiner Öffnung. Diese können dann jedoch von gegebenenfalls im Wasser vorhandenen Verunreinigungen verstopft werden. Um den dadurch auftretenden Störungen vorzubeugen, kann die gesamte Anordnung so ausgebildet sein, daß die einzelnen Teile der Wasserzufuhreinrichtungen während des Betriebs abgesperrt und mit Druckluft oder Dampf durchgeblasen v/erden können. Ebenso ist es auch möglich, die Düsen mittels Unterdruck zu reinigen.

Wenngleich die Erfindung vorstehend anhand eines Kühlturras erläutert ist, eignet sie sich auch zur Anwendung

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in anderen Vorrichtungen mit dem eines Kühlturms ähnlichem Aufbau, welche mit anderen Flüssigkeiten und Gasen als Luft bzw. Wasser arbeiten. Die Anwendung der Erfindung an einem Kühlturm dient somit lediglich der Erläuterung und kann in entsprechender Weise auf andere Vorrichtungen, z.B. Absorptionstürme, Destillationskolonnen, Befeuchtungseinrichtungen, offene Wärmeaustauscher usw. bezogen sein.

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Claims (8)

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   Patentansprüche:

   / Λ J Anordnung für die gleichzeitige Wärme- und Massenwobertragung zwischen Flüssigkeiten und Gasen in einer Wärmeaustauschereinrichtung, z.B. in einem Kühlturm, einem Absorptionsturm, einer Destillationskolonne, einer Befeuchtungseinrichtung, einem offenen Wärmeaustauscher od. dergl., welche mit zwangsläufiger Gasführung arbeitet und ein Gehäuse in Form eines zylindrischen, konischen, rotationssymmetrischen oder pseudorotationssymmetrischen Behälters etwa mit polygonaler Querschnittsform und mit einer Vielzahl von Gaseinlässen in der Gehäusewandung, sowie wenigstens einen Auslaß in wenigstens einer Stirnseite des Gehäuses auf v/eist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe (J) durch Leitbleche (2) gebildet oder mit solchen versehen sind, welche die Gasströmung tangential einwärts in das Gehäuse (1) leiten, so daß das mittels wenigstens eines Gebläses an der Auslaß- und/oder Einlaßseite des Gehäuses in dieses eingeführte Gas, beispielsweise Luft, sich in kreisender Bewegung mit einer radial einwärts zur Mitte des Gehäuses gerichteten Geschwindigkeitskomponente um die Achse des Gehäuses herum bewegt, und daß die mit dem Gas in Berührung zum bringende Flüssigkeit mittels Injektoreinrichtungen (7) beispielsweise Düsen, Schleuderscheiben od. dergl., derart im Gehäuse versprüht wird, daß sich die dabei entstehenden Flüssigkeitstropfen unter dem Einfluß der kreisenden Gasströmung, der Fliehkraft und der restlichen Anfangsgeschwindigkeit im Gegenstrom zu dem auf die Mittelachse des Gehäuses zu strömenden Gas radial auswärts oder in einem Winkel zum jeweiligen Radius bewegt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Gehäuses (1) entlang wenigstens einem Teil seines Umfangs aus Leitblechen (2) gebildet ist, welche um zur Achse des Gehäuses parallele

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   Achsen drehbar sind, und daß das Gehäuse in Richtung seiner Achse eine oder mehrere übereinanderliegende ringförmige Anordnungen von einzeln verdrehbaren Leitblechen aufweist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoreinrichtung eine Anzahl von Zerstäuberdüsen (7) aufweist, welche in einer imaginären Zylinderfläche in einem gewissen Abstand von der Innenseite des Gehäusemantels in der eintretenden Gasströmung angeordnet sind.
4. 4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüsen (7) an parallel zur Achse des Gehäuses verlaufenden, verdrehbaren Rohren (8) sitzen und in verschiedene Richtungen einstellbar sind.
5. 5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (5) mit einem dem der Gasströmung entgegengesetzten Drehsinn angetrieben ist und daß die Anstellwinkel der Gebläseflügel so gewählt sind, das die Kreisbewegung des Gases wenigstens teilweise aufgehoben wird.
6. 6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaß des Gehäuses (1) an der Zuströmseite des Gebläses (5) wenigstens ein beiderseits offener, zylindrischer Ring (14) eingesetzt ist, und daß die Wandung des Auslasses sowie die des Rings einwärts offene Sammeleinrichtungen (13) zum Abführen der sich niederschlagenden Flüssigkeit aufweisen.
7. 7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennz ei chnet, daß bei einer Ausführung als senkrecht stehender Kühlturm dessen

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   obere Stirnwand (15) sowie gegebenenfalls der Boden (11) von der Gehäuseachse auswarts-abwärts geneigt verlaufen.
8. 8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1

   bis 7t dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des iTüssigkeits-Leitungssystem zum Reinigen der Zerstäuberdüsen (7) mittels Druckluft, Dampf oder Vakuum absperrbar ist.

   9- Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1

   bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein waagerecht verlaufender Zylinder mit Gasauslässen an beiden Stirnseiten ist.

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