DE2537887B2

DE2537887B2 - Verfahren zur verhinderung der nebel- oder schwadenbildung bei verdunstungskuehlern und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2537887B2
Application number: DE19752537887
Authority: DE
Inventors: Karl A Huddinge Hällgren (Schweden)
Original assignee: Carl Munters AB
Current assignee: Carl Munters AB
Priority date: 1974-09-02
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1978-01-19
Also published as: JPS5916200B2; FR2283410A1; SE400119B; DE2537887A1; IT1042207B; GB1511703A; BE832896A; FR2283410B1; JPS5150044A; SE7411088L; US3997635A; DE2537887C3; CH600277A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung der Nebel- oder Schwadenbildung bei Verdunstungskühlern, insbesondere Kühltürmen, bei denen die in einem Gehäuse untergebrachten, Spalten aufweisenden Kontaktkörper der Vielschichten-Bauart gleichzeitig von Wasser und einem Strom atmospphärischer Luft durchströmt werden, wobei der aus dem Kontaktkörper austretende Luftstrom mit einem zweiten Strom atmosphärischer Luft vermischt wird, die unter Beibehaltung oder annähernder Beibehaltung ihres Feuchtigkeitsgehaltes erwärmt worden ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Unter Vielschichten-Bauart wird ein Kontaktkörper verstanden, der aus einer großen Anzahl von im wesentlichen zueinander parallelen Schichten zusammengesetzt ist, die zwischen sich durchgehende Kanäle oder Spalten bilden. Das Wasser wird den Spalten von ⁵ oben zugeführt, während die Luft im Gegenstrom oder Qiierstrom durch die Spalten geführt wird. Die Kühlung erfolgt im wesentlichen durch Verdunstung, wobei der Dampfgehalt der Luft steigt.
Kühltürme werden in erster Linie während des

ίο Sommers benötigt; es kommt jedoch oft vor, daß sie während anderer Jahreszeiten, d. h., wenn die Lufttemperatur verhältnismäßig niedrig ist, in Betrieb sein sollen. Dies gilt z. B. für die Wärmeabfuhr von den Kompressoren in Kühlhäusern oder für Dampfkraftwerke sowie für viele verschiedene Prozeßindustrieanlagen. Unter verhältnismäßig kaltem Wetter im Sinne der vorstehenden Ausführungen wird somit verstanden, daß die Außenluft eine so niedrige Temperatur hat, daß die im Kühlturm befeuchtete Luft beim Austritt in die umgebende Außenluft und dadurch bedingte schnelle Abkühlung durch Kondensation von Dampf-Nebeloder Dunstschwaden bildet.

Es ist bekannt, daß man einer solchen, auf die Umgebung störend wirkende Dunstschwadenbildung dadurch entgegentreten kann, daß man die durch den Kühlturm hindurchgehende feuchte Luft nach ihrem Vorbeigang an den Verdunstungsflächen erwärmt oder mit einem anderen, in einem gesonderten Erhitzer vorgewärmten Strom atmosphärischer Luft vermischt.

Durch beide diese Maßnahmen läßt sich erreichen, daß die durch sie erhaltene Luft bei ihrer Rückführung in die umgebende Außenluft einen so niedrigen relativen Feuchtigkeitsgehalt hat, daß eine Kondensation vermieden wird. Dies wird jedoch auf Kosten kostspieliger und Platz beanspruchender Vorrichtungen in der Form von Erhitzern, Ventilen und ggf. auch zusätzlicher Luftkanälen und -klappen oder -Schiebern erzielt. Da nun das Problem der Nebel- oder Dunstbildung nur während eines begrenzten Zeitraumes des Jahres auftritt, werden

■to die Mehrkosten für derartige Vorrichtungen zu einer unverhältnismäßig hohen Belastung für die kurze in Betracht kommende Betriebszeit. Die Mehrkosten bestehen einerseits in höheren Investitionskosten und andererseits in höheren Betriebskosten infolge des Gebläses für den Luftstrom, und zwar nicht nur zu Zeiten der Nebel- oder Schwadenbildung, sondern während der gesamten Betriebszeit des Kühlturms.

Auch bei einer anderen bekannten Anlage (DT-OS 19 39 174) sind zwei Systeme erforderlich, nämlich einerseits die Einbauten für die Kühlung und andererseits dazwischenliegende Wärmeübertrager für die Trockenluft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um ohne Einsatz von gesonderten Heizvorrichtungen oder Wärmeübertragern Dampf- oder Schwadenbildung bei verhältnismäßig kaltem Wetter in der austretenden Luft wirksam zu verhindern und eine vollständigere Ausnutzung der Verdunstungsleistungsfähigkeit des Kühlturms während der wärmeren Jahreszeit, wenn der Bedarf an Kühlvermögen am größten ist, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erwärmung des zweiten Luftstroms dadurch geschieht, daß er durch Spalten in dem Kontaktkörper

b·) geleitet wird, die kein Wasser zugeführt erhalten und die zwischen den von Wasser und Luft gleichzeitig durchstrichenen Spalten gelegen sind.

In den trockenen Spalten wird die hindurchstreichen-

je Luft durch Wärmeleitungskontakt mit der Wasserschicht in den benachbarten Spalten erwärmt, während die Luft in den wasserbespülten Spalten durch den unmittelbaren Kontakt mit dem Wasserfilm in diesen Spalten einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt erhält. Durch den Kontaktkörper gehen somit nebeneinander trockene, vorgewärmte und befeuchtete Luftströme hindurch. Nach dem Durchgang durch den Kontaktkörper wird durch Vermischung der Luftströme ein solcher Zustand erhalten, daß das Luftgemisch beim Wiedereintritt in die umgebende Außenluft keine Nebel- oder Dunstschwaden erzeugen kann. Wenn Nebel- oder Schwadenbildung nicht mehr zu befürchten ist oder die Gefahr hierfür wesentlich verringer ist, können die Spalten in dem Kontaktkörper, die zuvor für die bloße Erwärmung von atmosphärischer Luft gesorgt hatten, in das System der von Wasser durchspülten Spalten eingeschaltet werden, derart, daß auch ihnen Wasser zugeführt wird und der Kühlturm auf diese Weise auf höchste Kühlleistungsfähigkeit umgestellt wird.

Der Kontaktkörper kann verschiedenartig aufgebaut sein: aus ebenen Schichten, deren Lage in vorbestimmten Abstand parallel zueinander durch Abstandshalter sichergestellt wird, oder in der Weise, daß die Schichten selber für die Abstandshaltung dadurch sorgen, daß sie gewellt oder in anderer Weise mit gegeneinander anstoßenden Vorsprüngen oder Ausbauchungen versehen sind. Der Werkstoff, aus dem die Schichten hergestellt sind, soll am besten derart sein, daß er, wenn an der einen Seite sowohl Luft als auch Wasser entlang strömen und an der anderen Seite lediglich Luft, in wesentlichem Grad für das flüssige Mittel undurchdringlich ist. Die Schichten können aus Kunststoff oder aus faserigem Werkstoff, der durch Tränkung feuchtefest bzw. wasserundurchlässig gemacht worden ist, hergestellt sein. Besonders gute Ergebnisse erhält man, wenn nebeneinanderliegende, also benachbarte Spalten, jeweils Wasser und Luft zugeführt erhalten. Dies ergibt einen besonders guten Wirkungsgrad. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Verdunstungskühler der Bauart, bei der das zu kühlende und durch den Kühler hindurchgehende Mittel von den Luft- und Wasserströmen getrennt ist, wird dieses Mittel durch mit Flanschen versehene Rohr nach Art sog. Rippenrohre geleitet. Die Schichten des Kontaktkörpers werden dann von diesen Flanschen oder Rippen gebildet, die mit dem durch die Rohre hindurchströmenden Mittel in wärmeleitender Verbindung stehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen lotrechten Schnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgeführten Kühlturm der Gegenstrombauart;

Fi g. 2 schaubildlich und in größerem Maßstab einen Teil dieses Kühlturms;

F i g. 3 und 4 in entsprechender Weise eine zweite, nach dem Querstromprinzip arbeitende Ausführungsform eines Kühlturms, und schließlich

F i g. 5 ein Temperatur-fi/Feuchtegehalt-^-Diagramm. f>o

Ein in den F i g. 1 —4 mit 10 bezeichneter Kontaktkörper ist in einem Gehäuse 12 eingeschlossen und aus dünnen Schichten oder Bögen zusammengesetzt, die sich parallel zueinander so erstrecken, daß zwischen ihnen lotrecht verlaufende Spalten oder Kanäle gebildet b5 sind. In den dargestellten Ausführungsformen sind sämtliche Schichten gewellt und kreuzen sich die Wellungen in jeder zweiten Schicht, wie bei 14 und 16 in der Fig. 3 angedeutet ist. Sämtliche Wellungen verlaufen mit einem Winkel zur Lotrechten und stützen sich an den punktweise verteilten Berührungsstellen gegeneinander ab. Diese Ausführung ist z. B. durch die DT-PS 20 10 568 und US-PS 34 15 502 vorbekannt. Der Miuelabstand zwischen den Schichten, d. h. die Höhe der Wellungen, kann zwischen 10 und 50 mm liegen und soll zweckmäßig innerhalb der Grenzen 12—30 mm gehalten werden. Die Schichten können aus Kunststoff oder einem anderen, für Wasser schwerdurchdringbaren Werkstoff bestehen und eine Stärke von einigen Zehnteln eines mm bis zu einigen wenigen mm haben. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen geht die gewellte Ausformung nach oben in einen Teil 18 über, in welchem die Schichten eben sind.

Das Gehäuse 12 hat oben eine Auslaßöffnung 20, in der ein von einem Motor 24 angetriebenes Luftzieherrad 22 sitzt. Ferner sind oben Verteiler für Wasser vorgesehen, wie weiter unten näher beschrieben werden soll.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 hat das Gehäuse 12 unterhalb des Kontaktkörpers (0 verlegte Seitenöffnungen 26 für Außenluft, die durch den Luftzieher 22 dazu gebracht wird, in zur Hauptsache lotrechter Richtung aufwärts durch die Spalten oder Kanäle des Kontaktkörpers zu strömen. Das Wasöerverteilersystem umfaßt bei dieser Ausführungsform zwei Gruppen von Rohren 28, 30, die sich abwechselnd parallel zu den Schichten bzw. deren oberen Endteilen 18 erstrecken und eine Lage mitten über den Spalten 32 bzw. 33 zwischen den Schichten einnehmen. Zwecks besserer Übersichtlichkeit sind nur einige Rohre 28 bzw. 30 in der F i g. 1 angedeutet. Die Rohre haben an der Unterseite Ausflußöffnungen für das Wasser. Die beiden Rohrgruppen erstrecken sich auf verschiedener Höhe, um nicht den Fluß der aufsteigenden Luft zu beeinträchtigen, und sind an je ein zugehöriges Verteilerrohr 34 bzw. 36 angeschlossen, dem das zu kühlende Wasser von einer zweckmäßig gemeinsamen Leitung 38 zugeführt wird. In dem Verteilerrohr 34 ist ein Absperr- bzw. Regelventil 40 angebracht. Auch in dem Rohr 36 kann ein Ventil 42 vorgesehen sein. Das Wasser strömt abwärts durch die Spalten und begegnet hierbei in Gegenstrom der aufsteigenden Luft, wobei das Wasser gekühlt wird und die Luft bis zu ihrer Sättigung Feuchtigkeit aufnimmt.

Wenn nun die Temperatur des Kühlwassers beim Eintritt in den Turm so hoch gegenüber der Temperatur der Außenluft ist, daß die austretende gesättigte Luft bei ihrem Wiedereintritt in die Außenluft Dampf in der Form von Nebelwolken oder Dunstschwaden abscheiden würde, wird die eine Gruppe von über jedem zweiten Spalt 32 befindlichen Rohren 28 abgestellt, so daß Wasser nur durch die zweite, untere Gruppe von Rohren 30 und damit jedem zweiten Spalt, den Spalten 33, zwischen den Schichten des Kontaktkörpers zugeführt wird. Dies hat zur Folge, daß die durch die Spalten 32 hindurchgehende atmosphärische Luft nur in mittelbarem Wärmeaustausch mit dem Wasser steht, das durch die zwischenliegenden Spalten 33 strömt, weswegen die Luft in den Spalten 32 nur erwärmt wird, ohne daß ihr absoluter Feuchtigkeitsgehalt eine Änderung erfährt, so daß ihr relativer Feuchtigkeitsgehalt sinkt. Demzufolge gehen zwei Luftströme von ungleichem absolutem und relativem Feuchtigkeitsgehalt durch den Kontaktkörper hindurch, um miteinander vermischt zu werden, bevor sie in die umgebende Außenluft austreten. Der nur erwärmte bzw. trockene

Luftstrom wird mengenmäßig so abgewogen, daß das Luftgemisch einen genügend niedrigen relativen Feuchtigkeitsgehalt erhält, um sich bei Einmischung in die Außenluft noch in einem Zustand oberhalb des Kondensationspunktes des Dampfes zu befinden.

Das gekühlte Wasser sammelt sich in einem Trog 44 im Boden des Kühlturmes und wird durch eine Leitung 46 zur Anwendungsstelle geleitet. Hier erwärmt es sich erneut und kehrt dann durch die Leitung 38 zum Kühlturm zurück.

Bei der Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 ist der Kühlturm für Kreuzstrom eingerichtet, d. h. während das Wasser wie zuvor in zur Hauptsache lotrechter Richtung abwärts otrömt, wird die Luft durch öffnungen 48 in den Seitenwänden des Gehäuses 12 eingeführt, durchstreicht die Spalten in den beiden Kontaktkörpern 10 in zur Hauptsache waagerechter Richtung und tritt in eine Mischkammer 50 ein, aus der sie durch den Luftzieher 22 ausgesogen wird. In diesem Fall umfaßt das Verteilersystem Kästen 52, die durch Zwischenwände 54 in schmale Tröge 56, 58 unterteilt sind. Letztere sind parallel zu den Schichten im Kontaktkörper und mitten über dessen Spalten 32 bzw. 33 verlegt. Jeder zweite Trog 56 wird mit dem warmen, zu kühlenden Wasser durch Zweigrohre 33 von der gemeinsamen Leitung 36 und jeder dazwischenliegende zweite Trog 59 durch Zweigrohre 37 von der Leitung 36 gespeist. Die Leitung 34 und die Leitung 36 sind wie zuvor über je ein Ventil 40 bzw. 42 mit der gemeinsamen Hauptleitung 38 verbunden. In der Fig.4 sind nur die Tröge 56 mit Wasser gefüllt dargestellt, während die Zuführleitungen zu den Trögen 58 abgesperrt sind. Dies hat zur Folge, daß jeder zweite Spalt von sowohl Wasser als auch Luft durchstrichen wird, so daß das Wasser unter Anreicherung der Luft mit Feuchtigkeit gekühlt wird. In jedem dazwischenliegenden zweiten Spalt geht dagegen nur eine mittelbare Kühlung des Wassers bzw. Erwärmung durch die Schichtwände hindurch in derselben Art, wie zuvor für die Ausführung nach den F i g. 1 und 2 beschrieben, vor sich. Dies sind die Betriebsbedingungen bei verhältnismäßig kaltem Wetter.

Wenn die Temperatur der Außenluft ansteigt und Nebel- bzw. Schwadenbildung nicht zu befürchten ist, werden die Leitungen für Zuführung von warmem Wasser auch über den Trögen 58 geöffnet. Damit erhält der Kühlturm eine wesentliche größere Kühlleistungsfähigkeit und genügt damit den Anforderungen an eine höhere Kühlleistung, wie sie bei wärmerem Wetter gefordert wird.

Der Kühlverlauf beim Betrieb der Kühltürme bei kaltem Wetter ist in der F i g. 5 wiedergegeben, wo die Ordinate χ in dem Diagramm den aboluten Dampfgehalt der Luft in z. B. g/kg Luft und die Abszisse t die Temperatur der Luft darstellt. Die Kurve 60 gibt den Feuchtigkeitsgehalt der Luft bei Sättigung wieder, d. h., wenn der relative Feuchtigkeitsgehalt 100% ist. Es wird ,ingenommen, die Temperatur der Außenluft sei 5°C, und ferner, daß sie mit Feuchtigkeit gesättigt oder wenigstens nahezu gesättigt ist, weswegen der Zustand durch den Punkt 62 auf der Kurve 60 dargestellt wird. Das warme, zu kühlende Wasser tritt in den Kontaktkörper mit einer Temperatur von 35°C ein und soll auf 30" C gekühlt werden. Für die Veränderung des Zustandcs der eintretenden Außcnluft in den nassen Spalten oder Kanälen 33 wird angenommen, sie habe beim Austritt aus den Spalten den Punkt 64, der einer Temperatur von 22°C entspricht, erreicht. In diesen Spalten erfolgt eine Verdunstung von Wasser in die Luft, derart, daß die Luft der Sättigungskurve von dem Punkt 62 zu dem Punkt 64 folgt. In den trockenen Kanälen 32 tritt lediglich eine Erwärmung der von außen zugeführten Luft ein, während der Feuchtigkeitsgehalt dieser Luft unverändert bleibt. Die Zustandsveränderung dieses Luftstromes folgt also der Linie 66, die parallel zur Abszisse läuft. Es darf dann angenommen werden, daß diese Luft dieselbe Endtemperatur erreicht wie die nasse Luft, d. h. 22°C entsprechend dem Punkt 68, an welchem der relative Feuchtigkeitsgehalt etwa 35% ist. Falls nun, wie in den Ausführungsbeispielen, jeder zweite Kanal naß ist und jeder zweite, dazwischenliegende Kanal trocken, werden ungefähr gleich große Luftmengen den Zustand 64 bzw. den Zustand 68 erreichen.Wenn dann die beiden Luftmassen miteinander vermischt werden, gelangt das Gemisch in den Zustand = Punkt 70 auf der Temperaturlinie 72 mitten zwischen den Punkten 64 und 68. Wenn das Gemisch danach in die umgebende Außenluft austreten gelassen wird, erfährt es eine Abkühlung nach Maßgabe dieser Linie 72 auf die eingangs mit 5°C angenommene Temperatur dieser Außenluft. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Linie 72 die Sättigungskurve 60 nicht schneidet, was bedeutet, daß keine Kondensation eintreffen wird. Hätte dagegen die feuchte Luft in ihrem Zustand gemäß dem Punkt 64 allein in die umgebende Außenluft entweichen dürfen, wäre sie gemäß der gedachten Linie 74 gekühlt worden. Da diese Linie sich oberhalb der Sättigungskurve 60 befindet, wäre dies nicht möglich gewesen, ohne daß Dampf auskondensiert wird, während die Luft eine Abkühlung längs der Sättigungskurve 60 zwischen den Punkten 64 und 62 erfährt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern läßt sich in mannigfacher Hinsicht innerhalb des Rahmens des ihr zugrunde liegenden Leitgedankens abwandeln. So kann die Anzahl der Kanäle in dem Kontaktkörper, die zur Erzeugung der trockenen, vorgewärmten Luft vorgesehen sind, kleiner sein als oben angegeben, so daß z. B. nur jeder dritte oder vierte Kanal für diese Aufgabe eingerichtet ist Ferner kann man mehr als zwei parallel zueinander geschaltete Wasserzuführsysteme haben, derart, daß sich die Anzahl trockener Kanäle stufenweise verändern läßt.

Von ausschlaggebender Bedeutung ist, daß man ir einem und demselben Kontaktkörper sowohl trockene als auch feuchte Luftströme schaffen kann. Hierzi werden keine Raum und Kosten beanspruchendt Erhitzer benötigt, und die Luftzieherarbeit kann auf eir Mindestmaß herabgesetzt werden. Ebenso wichtig ist daß man mit einfachen Mitteln die Aufteilung ir trockene und feuchte Luftströme den herrschender klimatischen Bedingungen anpassen kann, derart, dat man während der wärmsten Jahreszeit alle Flächen füi die vom Gesichtspunkt der Kühlung wirksame Verdun stung ausnutzen kann. Die nebeneinander aus den

ho Einsatzkörper austretenden trockenen und feuchtet Luftströme erfahren außerdem eine wirksame Vermi schung, bevor sie wieder in die umgebende Außenluf austreten. Hierdurch vermeidet man auch die Gefah einer Schichtung von Luft in ungleichen Zuständen, wa sonst zu örtlicher Schwadenbildung auch dann führei könnte, wenn der Durchschnittszustand ein nebel- um schwadcnfreics Austreten erwarten läßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1 Verfahren zur Verhinderung der Nebel- oder Schwadenbildung bei Verdunstungskühlern, insbesondere Kühltürmen, bei denen die in einem Gehäuse untergebrachten, Spalten aufweisenden Kontaktkörper der Vielschichten-Bauart gleichzeitig von Wasser und einem Strom atmosphärischer Luft durchströmt werden, wobei der aus dem Kontaktkörper austretende Luftstrom mit einem zweiten Strom atmosphärischer Luft vermischt wird, die unter Beibehaltung oder annähernder Beibehaltung ihres Feuchtigkeitsgehaltes erwärmt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des zweiten Luftstromes dadurch geschieht, daß er durch Spalten in dem Kontaktkörper geleitet wird, die kein Wasser zugeführt erhalten und die zwischen den von Wasser und Luft gleichzeitig durchstrichenen Spalten gelegen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei solchem Wetter, wo eine Nebeloder Schwadenbildung nur in begrenztem Umfang oder überhaupt nicht stattfinden kann, Wasser einem größeren Teil bzw. allen Spalten im Kontaktkörper zugeführt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bei einem Verdunstungskühler, insbesondere einem Kühlturm, mit einem in einem Gehäuse untergebrachten Kontaktkörper der Vielschichten-Bauart mit zwischen den Schichten befindlichen Spalten, über denen Verteiler für Wasser vorgesehen sind und die gleichzeitig von diesem Wasser und atmosphärischer Luft in Gegenstrom oder Kreuzstrom durchströmt sind, wobei der aus dem Kontaktkörper austretende Luftstrom mit einem zweiten Strom atmosphärischer Luft gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Spalten (32), die wenigstens an ihrer einen Seite an einen von dem Wasser durchflossenen Spalt (33) grenzen, von Wasserzufuhr abgesperrt ist und mit Ein- und Auslässen (26, 20; 48, 20) für den zweiten Luftstrom in Verbindung steht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Gruppen von Rohrkanälen (28,58; 30,56) für das Wasser oberhalb der Spalten (32, 33) des Kontaktkörpers (10) vorgesehen sind, wobei die eine Gruppe der Rohrkanäle (28, 58) zwischen den Rohrkanälen (30, 56) der anderen Gruppe angeordnet ist und wobei jede Kanalgruppe an gesonderte Verteilerleitungen (34,36) für das Wasser angeschlossen ist.