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Wärmetauscher
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur indirekten
Rückkühlung eines WarmeUbertragungsmittels, z.B. Wasser, durch Luft, wobei das Wärmeübertragungsmittel
im Vergleich zu Luft einen relativ hohen Wärmeübergangskoeffizienten aufweist.
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Es ist bekannt, rückzukühlendes Wasser durch KUhlrohrbUndel zu schicken,
deren Rohre von Luft quer angeströmt werden.
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Die luftberührte Fläche der Rohre wird im allgemeinen durch Rippen
oder Lamellen vergrößert. um dadurch das Produkt (αL . AL) aus Wärmeübergangskoeffizienten
und zugehöriger, für die Wärmeübertragung maßgebllcher Fläche auf der Luftseite
dem entsprechenden Produkt (d W AW) auf der Wasserseite so weit wie möglich anzugleichen.
Der Annäherung der vorgenannten Produkte sind jedoch Grenzen gesetzt, da mit größer
werdendem Verhältnis AD (A I Fläche) sich der Ab-AW stand der Rippen verringern
und/oder die Höhe der Rippen vergrößern muß, wodurch sowohl die Strömungsverluste
auf der Luftseite als auch die Verluste durch Wärmeleitung durch die Rippen zum
Kernrohr größer werden. Beides setzt den Gütegrad und damit die Wärmeleistung der
Rohre herab.
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Um gleiche Wärmemengen übertragen zu können, ergeben sich z.B. für
Trockenkühltürme größere Abmessungen als für Naßkühl türme. Diese Abmessungen konnten
zwar durch die vorgenannte Oberflächenvergrößerung auf der Luftseite verringert
werden, jedoch sind die Abmessungen nch immer erheblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach herzustellenden
Wärmetauscher zu schaften, der einen möglichst geringen luftseitigen Widerstand
mit sich bringt und die Möglichkeit bietet, en möglichst günstiges Verhält-AWü .
αWü nis zu erreichen. (AWü und AL bedeuten die Wärme-AL . αL übertragungsflächen
auf der Wärmellbertragungsmittel- und der Luftseite; αWü und αL die
zugeordneten Wärmeübergangskoeffizienten.) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch zwei parallele, mit Öffnungen versehene Stirnwände, und zugeordnete Seitenwände
mit Wärmeiibertragungsmitteleiritritt und -austritt, sowie zwischen den Stirnwänden
verlaufende, gegenüber diesen abgedichtete, unberippte und von der Luft durchströmte
Rohre.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann die luftberührt Fläche,
ohne daß Rippen verwendet werden, beliebig mit der Rohrlänge vergrößert werden;
zusätzliche Verluste für die Wärmeleitung treten nicht auf; sie verringern sich
sogar, da die spezifische Wärmebelastung mit zunehmender Rohrlänge pro Flächeneinheit
zurückgeht. Bei gleicher luftberührter Fläche und gleichem lurtseitigen Strömungswiderstand
-einmal für das außenberippte Rohr, zum anderen für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher
- ergibt sich aufgrund der aufgeführen physikalischen Unterschiede für den erfindungsgemäßen
Wärmetauscher eine wesentlich höhere Wämeübertragungsleistung; hinzu kommt, daß
die Vergrößerung der luftberührten Fläche sich auch auf die wasserberührte Fläche
im vollen Maße auswirkt; dies und die Möglichkeit einer besseren Ausnutzung des
Turmquerschnittes ergibt eine weitere Steigerung der Wärmeübertragungsleistung.
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Eine vorteilhafte WeiterbiJdung der Erfindung besteht bei einem Wärmetauscher
mit der Zugerzeugung dienender Turmschale eines Kühlturms od. dgl. darin, daß zur
Auslegung des kühlturms die Beziehung
gilt, und daß die Länge L der Rohre größer oder gleich (),8 Meter zu wählen ist.
dabei bedeuten: L 3 Länge der Rohre in Meter H - Turmschalenhöhe (Turmmlntelhöhe)
in Meter = - Spezifisches Gewicht der Luft unmittelbar vor Eintritt in den Wärmetauscher
in kg m 2 Spezifisches Gewicht der Luft in Höhe der Turmschalenkg oberkante in m³
W kA = Spezifische Wärmeleistung in (Watt pro Quadratm²K meter Anströmrläche und
Kelvin wobei unter "AnströmRläche" die Projektionsfläche des Wärmetauschers in Richtung
der anströmenden Luft gesehen unmittelbar vor dem Wärmetauscher zu verstehen ist.
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Ein solcherart ausgelegter Kühlturm (Wärmetauscher) weist - im Vergleich
zu bestimmten bekannten Konstruktionen mit Rippenrohren - insbesondere hinsichtlich
der Turmabmessungen oder der Wärmeleistung Vorteile auf.
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Besonders günstige Verhältnisse lassen sich gemäß weiterer Merkmale
der Erfindung dadurch erzielen, daß der Innendurchmesser der Rohre zwischen 10 Millimeter
und 50 Mi liimeter liegt, und/oder daß die Wanddicke der Rohre 0,3 Millimeter bis
1 Millimeter beträgt, und/oder daß bei flUssigem Wärmeübertragungsmittel der lichte
Abstand zwischen den Rohren zwischen 0,5 Millimeter und 2 Millimeter liegt. Bei
der Kondensation von damprförmigem WärmeUbertragungsmittel liegt der lichte Abstand
zwischen den Rohren außerhalb der
notwendigen, rohrlosen Dampügassen
zweckmäßig zwischen 2 Millimeter und 5 Millimeter.
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Um eine fUr die Wärmeübertragung günstige Strömung in dem oder den
Wärmetauschelementen des Wärmetauschers zu erzeugen, sind innerhalb des bzw. jedes
Wärmetauschelementes durch ein oder mehrere Zwischenwände Kanäle gebildet zur Führung
eines flüssigen Warmeübertragungsmittels, So daß das Wärmeübertragungs mittel wie
in KUhlschiangen geführt wlrd.
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Weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher mehrere Wärmetauschelemente
auf, dann sirid die Wärmetauschelemente zweckmäßig nebeneinander und/oder einander
angeordnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre an den Enden
zum Sechskant erweitert, wobei die Kanten bzw.
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Seitenflächen der Sechskante zur Bildung der Stirnwände miteinander
wärmeübertragungsmitteldicht verbunden sind. Diese Maßnahme bringt insbesondere
Vorteile hinsichtlich der Herstellung der entsprechenden Teile des Wärmetauschers
mit sich.
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Eine weitere Verringerung der Turmabmessungen oder Steigerung der
Wärmeleistung wird erreicht, wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in
den von der Luft durchströmten Rohren Turbulenzerzeuger vorgesehen sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
hinsichtlich der baulichen Ausführung sind in den Ansprüchen 11 bis 13 gekennzeichnet.
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In der Zeichnung ist der erfindungsgemäß Wärmetauscher, teilweise
im Zusammenhang mit einem Trockenkühlturm zum Ableiten der Kondensationswärme größerer
Kraftwerke an die Luft, in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Trockenkühlturm samt
eingebauter Wärmetauschanlage, Fig. 2 eines der Wärmetauschelemente im Querschnitt
gemäß der Linie I-I in ig. 1, jedoch in einem größeren Maßstab, Fig. 3 einen Ausschnitt
eines Längsschnitts durch ein Wärmetauschelement, Fig. 4 eine Draufsicht auf den
Wärmetauschelement-Teil gemäß Fig. 3, Fig. 5 einen Ausschnitt eines Längsschnittes
durch ein gegenüber Fig. 3 variiertes Wärmetauschelement, Fig. 6 einen Längsschnitt
durch einen TrockenkUhlturm, Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Trockenkühlturm
mit gegenüber Fig. 6 abweichender Berohrungsanordnung für die Luft, Fig. 8 einen
Teil eines erfindungsgemäßen Wärmetauschelementes in der Draufsicht, Fig. 9 einen
Schnitt gemäß der Linie a-a in Fig. 8, Fig. 10 einen waagrechten Schnitt durch den
Kühlturm in einer Ebene kurz oberhalb der Wärmetauschelemente, Fig. 11 einen Ausschnitt
eines Mittelllngsschnittes durch den Kühlturm, Fig. 12 einen Ausschnitt aus einem
waagrechten Schnitt durch den KUhlturm in einer Ebene kurz oberhalb der Wärmetauschelemente,
Fig. 13 ein Kennfeld des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und Fig. 14 ein weiteres
Diagramm des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
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Ein TrockènkUhlturm I zur Ableitung der Kondensationswärme
großer
Dampfkraftwerke weist - aus Gründen er Transportierbarkeit und der Handhabung der
Wärmetauschelemente - im Turminneren eine größere Zahl von an eine Zjflußlejtung
und eine Abflußleitung angeschlossenen Wärmetauschelementen 2 auf. Die Wärmetauschelemente
2 haben alle die gleichen Bestandteile; Im folgenden ist daher nur eines der Wärmetauschelemente
ausführlich beschrieben.
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Jedes Wärmetauschelement 2 weist zwei Platten n auf, die im Abstand
zueinander und übereinander angeordnet sind. Die Platten n können waagrecht liegen
oder geneigt sein. Die beiden Platten 3 bilden mit Seitenwänden 4 einen Kanal, durch
den das vorzugsweise rückzukühlende Wärmeübertragungsmittel mit gegenüber Luft hohem
Wärmeübergangskoeffizienten, vorzugsweise Wasser, gerührt wird. Das Wärmeübertragungsmittel
tritt an einer der Stirnseiten in den Kanal ein und verläßt ihn an der anderen Stirnseite.
Die Platten 3 sind mit Öffnungen versehen, durch die senkrechte
Rohre
5 aus einen die Wärme gut leitenden Material, z.B.
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Aluminium, durch die Luft. von unten nach oben geleitet wird, hindurchgeführt
sind. Die eine alatte Außenfläche aufweisenden Rohre 5 und die Öffnungen in den
Platten 5 berühren sich und bilden dort eine dichte Verbindung, so daß kein Wärmetibertragungsmittel
nach augen dringen kann. Die Rohre 5 ragen über die obere und die untere Platte
q hinaus. Die für das Verhältnis
günstigste Entfernung des aus Platten 3 und Seitenwänden 4 bestehenden Kanals vom
Lufteintritt in die Rohre 5 ergibt sich aus einfachen Optimierungsrechnungen; die
günstigste Entfernung ist dabei bei unterschiedlichen Werkstoffen für die Rohre
5 verschieden.
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Zwischen den Platten 5 können zu diesen parallele, der Führung des
Wärmeübertragungsmittels dienende Zwischenbleche 6 vorgesehen sein. Gemäß Fig. 5
sind drei Zwischenbleche 6 vorgesehen, die so angeordnet sind, daß vier gleiche
Querschnitte für das durchströmende Wärmeübertragungsmittel entstehen. Das Wärmeübertragungsmittel
tritt bei 7 in den oberen Kanal ein, wird dann innerhalb des Wärmetauschelementes
an den Kanalenden jeweils umgelenkt, wobei es wie in einer Kühlschlange geführt
wird, und verläßt den unteren Kanal bei 8.
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Anstatt wie in Fig. 3 einen Kanal größerer Höhe durch Zwischenbleche
6 in mehrere Kanäle kleinerer Höhe aufzuteilen, kann man auch, wie das in Fig. 5
dargestellt ist, mehrere
getrennte (zwischenblechlose) Kanäle geringerer
Höhe mit Abstand übereinander anordnen. Gemäß Fig. 5 sind drei Kanäle übereinander
angeordnet. Das Wärmeübertragungsmittel strömt bei 9 in den oberen Kanal ein, wird
am Ende dieses Kanals umgelenkt und tritt hei 10 in den mittleren Kanal ein, wird
am Ende dieses Kanals nochmals umgelenkt, strömt bei 11 in den unteren Kanal ein
und verläßt bei 13 den unteren Kanal.
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Die Wärmeübertragungsfläche pro Kanalelement auf der Wärmeübertragungsmittelseite
beträgt: AWU = da .#. b . z mit da = Rohraußendurchmesser b = Plattenabstand Z =
Anzahl der Rohre # = #,14159.
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Die Wärmeübertragungsfläche pro Kanalelement auf der Luftseite beträgt
bei Rohren ohne Innenberippung: AL = di . # . 1 . z mit di = Rohrinnendurchmesser
1 = Rohrlänge z = Anzahl der Rohre lv = 3,14159.
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Eine Aufwandsverringerung ergibt sich, wenn man gemäß Fig. 7 den über
den Wärmetauschelementen liegenden Teil der Rohre 5 vom Turminneren nach außen zu
so ansteigen läßt, daß jeweils die äußerste Rohrreihe Teil des Mantels des KUhlturms
ist. Die äußersten Rohre werden entweder gegenseitig zur Berührung gebracht oder
sind mit Abstand zueinander angeordnet und die Zwischenräume, aus Gründen der Dichtheit
und der Festigkeit, mit geeigneten Mitteln überbrückt. Die Rohrreihen stütypn sich
gegnseitig, da diese allmählich von innern nach außen in der Höhe zunehmen.
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Um für die Luft bessere Einströmverhältnisse zu schaffen, nimmt die
Entfernung Rohrunterkante - Kühlturmboden mit zunehmender Entfernung von der Turmmitte
zu (vgl. Fig. 6 und 7).
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Weist der Kühlturm beispielsweise einen quadratischen Querschnitt
auf und sind - in Längsrizhtung der Wärmetauschelemente gesehen - jeweils vier Wärmetauschelemente
2a, 2b, 2c, 2d hintereinander angeordnet, dann erfolgt die Zuführung des zu kühlenden
Wärmeübertragungsmittels beispielsweise über zwei Leitungen 14a, 14b, die senkrecht
zu den Längsachsen der Wärmetauschelemente verlaufen. Die beiden Leitungen 14a,
14b verlaufen 3eweils zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnseiten und speisen sämtliche
Elemente der vier Reihen A, B, C, D. Die Leitung 14a Weist die beiden Reihen A und
B; die Leitung 14b die Reihen C und D. Das Abführen des Wärmeübertragungsmittels
aus den Wärmetauschelementen erfolgt über Leitungen 15a, 15b, 15c und 15d, die ebenfalls
quer zu den Längsachsen der Wärmetauschelemente, jedoch an den der Eintrittsseite
abgewandten Stirnseiten verlaufen. Die Leitungen 15a bis 15d sind mit den Austrittsöffnungen
sämtlicher Wärmetauschelemente 2 verbunden.
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Bei waagrecht liegenden Platten 3 werden die Platten bevorzugt dadurch
gebildet, daß die Enden der Rohre 5 zu einem Sechskant 5a erweitert sind, und daß
die Kanten der Sechskante miteinander verschweißt. verlötet, verklebt oder auf andere
Art miteinander dicht verbunden sind. In Fig. 8 ist ein Ausschnitt eines solcherart
ausgebildeten Wärmetauschelementes Sn der Draufsicht dargestellt; die Pfeile 21
deuten die tplußrlchtung des Watmeübertra.
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gungsmittels an.
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In ihrer Grundfläche (Länge x Breite) werden die Wärmetauschelemente
2 zweckmäßig den Transportmöglichkeiten angepaßt; die Höhe der Wärmetauschelemente
ergibt sich aus wärmetechnischer Notwendigkeit. - Als Werkstoff für die Wärmetauschelemente
2 kann z.B. Aluminium, Messing, Edelstahl und Kohlenstoffstahl verwendet werden.
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Strömt die Luft durch die Rohre 5, dann bilden sich in den Rohren
- nach einer gewissen Einlaufstrecke - Grenzschichten aus, deren Dicke mit zunehmender
Entfernung von der Rohreintrittsöffnung zunimmt. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges
werden in den Rohren Spiralkörper, eingedrückte dünne Drähte in Form von Ringen,
od. dgl.
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an sich bekannte Mittel angewendet. Die genannten Mittel dienen der
Beeinflussung der Grenzschicht und wirken als Turbulenzerzeuger. In Fig. 9 sind
Turbulenzerzeuger dargestellt und mit dem Bezugszeichen 16 beziffert.
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Die Seitenwände 4 - d.h. alle Wände mit Ausnahme der von den Platten
3 gebildeten Unter- und Oberseiten - der kastenförmigen Wärmetauschelemente 2 können
biegeweich ausgerührt sein. In diesem Fall müssen einerseits die Wärmetauschelemente
mit Zwischenraum zueinander und zur Kühlturminnenwand angeordnet sein, und andererseits
muß
die Rahmenkonstruktion 18 (Fig. 11) des Kühlturms in der Zone,
in der die Wärmetauscholemente angeordnet sind, biegesteif ausgebildet sein. Die
biegesteife Rahmenkonstruktion 18 dient der Auflage und der seitlichen Abstützung
der Wärmetauschslement; die Rahmenkonstruktion kann z.B. aus Beton gebildet sein.
Die Zwischenräume zwischen den Seitenwänden der Wärmetauschelemente und den entsprechenden
Seitenwänden der Wärmetauschelemente und der Kühlturminnenwand sind mit einer druckfesten
Füllmasse 17, z.B. einem geeigneten Kunststoffschaum, ausgefüllt.
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Strömt durch die Wärmetauschelemente 2 ein Wärmeübertragungsmittel,
dessen Druck geringer ist als der von außen durch die Lurt auf die Wärmetauschelemente
ausgeübte Druck, dann sind die Seitenwände 4 der Wärmetauschelemente 2 mit Zwischenräumen
20a zueinander und mit Zwlschenräumen 20b zur Kühlturminnenwand angeordnet und mit
vertikalen,durchgehenden Profilen 19 versehen, die z.B.
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durch Schweißnähte mit den entsprechenden Seitenwänden 4 verbunden
sind. Als Profile kommen z.B., wie in Fig. 12 dargestellt, Profile mit D - oder
3-förmigen Querschnitt in Frage. Diese genannten Profile 19 weisen zwei zu der Seitenwand
4 der Wärmetauschelemente parallele Schenkel 19a, 19b auf, die an einer Seite durch
einen senkrecht auf den Schenkeln stehenden Quersteg 19c miteinander verbunden sind.
Über diese Profile 19 werden benachbarte Wärmetauschelemente 2 kraftschlüssig so
verbunden, daß die durch den Unterdruck in den entsprechenden Seitenflächen der
Wärmetauschelemente entstehenden Kräfte gegeneinander ausgeglichen werden. Die z.B.
aus Beton bestehende Rahmenkonstruktion 18, die hier auch biegesteif ausgebildet
sein muß, weist ebenfalls solche Profile 19' ( C- oder J- Profile) auf; diese Profile
19' sind mit den entsprechenden Profilen 19 der benachbarten Seitenwände der Wärmetauschelemente
so kraftschlüssig verbunden,
daß die durch den Unterdruck entstehenden
Zugkräfte von der Rahmenkonstruktion 18 aufgenommen werden. Die Zwischenräume 20a
zwischen den Seitenwänden 4 benachbarter Wärmetauschelemente 2 bzw. die Zwischenräume
20b zwischen den äußersten, der Rahmenkonstruktion benachbarten Seitenwänds und
der Kühltrrninnenwand können, wie vorher hereits erwähnt, mit einer druckfesten
Füllmasse, z.B. einem geeigneten Kunststoffschaum, ausgefüllt sein.
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Letzteres hat den Vorteil, daß auch Kräfte, die durch Überdruck in
den Elementen entstehen, aufgenommen werden können. Bei einer solchen Ausführung
können die Wärmetauschelemente wahlweise mit ueberdruck oder mit Unterdruck betrieben
werden. Das Ausfüllen der Hohlräume 20a, 20b mit der Füllmasse sorgt darüber hinaus
für eine gute Abdichtung, so daß das Durchströmen von Falschluft vermieden ist.
- Der Querschnitt des Kühlturms ist in dem Bereich, in dem die Wärmetauschelemente
2 den Querschnitt nahezu ausfüllend angeordnet sind, vorzugsweise quadratisch. Der
Querschnitt kann aber auch z.B. rechteckig od. dgl. sein.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind nicht mehrere
Wärmetauschelemente 2 hintereinander geschaltet, sondern jedes Wärmetauschelement
ist gesondert in den Wärmeaustauschmittelkreislauf geschaltet. Um für das Wärmeaustauschmittel
in Form eines flüssigen Fluids günstige Wärmeaustauschbedingungen zu schaffen, sind
innerhalb eines Wärmetauschelementes zur Führung des Wärmeaustauschmittelstromes
waagrechte oder annähernd waagrechte Zwischenwände vorgesehen, von denen eine in
Fig. 9 bei 6' dargestellt ist. Die Zwischenwände sind auch erforderlich, wenn das
Wärmeaustauschmittel in Form eines Gases zu kühlen ist. Diese Zwischenwände 6' entfallen,
wenn das Wärmetauschmittel in Dampfform in das Wärmetauschelement gelangt und dann
dort kondensiert wird.
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In Fig. 13 ist einem rechtwinkeligen, kartesischen Diagramm
das
Kennfeld erfindungsgemäßer Wärmetauschelemente dargestellt. Diese Wärmetauschelemente
wurden im Versuch getestet. Die in diesem Zusammenhang wichtigsten Daten waren:
Höhe (= Länge der Rohre 5): 0,5 bis 4 m; Breite und Länge beliebig; rippenlose Rohre
mit einem Innendurchmesser von 20 mm; Drahtspiralen als Turbulenzerzeuger mit 0,6
mm Drahtdurchmesser und 50 mm Steigung der Drahtspirale.
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Auf der Abszisse des Diagrammes ist die Anströmgeschwindigkeit wA
der Luft unmittelbar vor Eintritt in die Kühlrohre in m/s (Meter pro Sekunde) aufgetragen;
auf der Ordinate des Diagramms ist die auf 1 Quadratmeter Anströmfläche bezogene
spezifische Wärmeleistung kA in kcal (Kilokalorien pro Quadratmeter, Stunde und
Kelvin) m aufgetragen.
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Dabei ergeben sich für verschiedene Langen L der Luftführungsrohre
5 die Kurven α 1, α 2, α 3, α 4, α 5, und Die Kurve
d 1 ergab sich bei Rohren mit 0,5 m Länge; die Kurve α 2 bei L = 1,0 m; α
3 bei L = 1,5 m; α 4 bei L = 2,0 m; α 5 bei L = 3,0 m und α 6
bei L = 4,0 m.
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In dem Diagramm sind noch Kurven ß bis ß dargestellt.
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10 dabei geben die Kurven ß den Druckverlust bp in mm WS (WS - Wassersäule)
- gemessen als Differenzdruck zwischen Luftein- und Lurtaustritt - wieder. Die Kurven
/3 bis ß10 sind die Kurven bei #p von 1 mm Wassersäule bis #p 10 mm Wassersäule.
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In dieses Diagramm ist nun zwecks Erläuterung des Fortschritts der
erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente ein Wert - dargestellt durch o - eingetragen,
der sich aus einer bekannten Konstruktion von Rippenrohr-Wärmetauschelementen,
deren
Rippenrohre von KUhlmittel durchströmt sind und die von Luft quer angeströmt sind,
herleitet.
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Die bekannten Wärmetauschelemente stammen aus dem Seilnetz-Tro',kenkUhlturm
des Kernkraftwerks Schmehausen.
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Aus den dort verwendeten Daten wurde von uns ein kA-Wert von 3340
kcal und cin #p -Wert von 8,3 mm WS ermittelt und m2hK in das Diagramm eingezeichnet.
Geht man von diesem Punkt 0 auf einer zur Abszisse parallelen Geraden g1 nach links,
dann ergibt sich, daU man bei gleicher Wärmeleistung mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherelement
z.B. einen Druckverlust von ca. 2 mm WS (- Wassersäule) erreichen kann, wenn man
die Höhe des Wärmetauschelementes 3 m hoch und eine Anströmgeschwindigkeit von ca.
1 m/s wählt.
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D.h.: mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschelement-Konstruktion läßt
sich die gleiche Wärmemenge pro Zeiteinheit abführen bei einem #p-Wert, der ca.
4 mal geringer ist. Da der op -Wert wieder ausschlaggebend für die Höhe des KUhlturmes
ist, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauschelement bei entsprechend günstiger
Wahl der Länge der Kühlrohre (, Höhe der Wärmetauschelemente) und der Luftanströmgeschwindigkeit
Kühlturmhöhen erzielen, die z.B. ca. 4 mal geringer sind als die Kühlturmhöhe des
bekannten Kühlturms bei Kernkraftwerk Schmehausen. Es ist offensichtlich, daß geringere
Kühlturmhöhen wegen des geringeren Aufwandes und des geringeren Preises von Vorteil
sind. Außerdem werden geringere Kilhlturmhöhen in der Landschaft als weniger störend
empfunden.
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Andererseits kann man das Diagramm auch so erklären, daß man - gleiche
Kühlturmabmessungen und gleichen Wert vorausgesetzt - ausgehend von dem Punkt o
und sich auf der entsprechenden #p -Kurve ßo in Pfeilrichtung nach oben bewegend
ein Wärmetauschelement konzipieren kann, das z.B.
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bei 3 m Höhe einen wesentlich höheren Wert von ca.
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7400 ketal ergibt. Das heißt, wenn man in den bekannten m2 hK
(300
Megawatt-Kraftwerk Uentrop-Schmehausen) Kühlturm Wärmetauschelemente eingebaut mit
3 m Höhe und mit einer Luftanströmgeschwindigkeit von 2,4 m/s beaufschlagt, dann
kann man mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher eine ca. um den Faktor 2,2 erhöhte
Wärmeleistung abführen.
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Auch dies veranschaulicht, welch großer Vorteil durch den erfindungsgemäßen
Wärmetauscher möglich wird.
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Ein weiteres Beispiel eines bekannten Dampfkraftwerkes mit konventioneller
Wärmetauscherausrüstung ist durch x in Fig. 13 symbolisiert; es handelt sich dabei
um die Anlage Grootvlei in der Südafrikanischen Union.
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In Fig. 14 in einem rechtwinkeligen, kartesischen Diagramm die Abhängigkeit
der spezifischen Wärmeleistung kA von der Turmschalenhöhe (Turmmantelhöhe) bei verschiedenen
Rohrlängen L - 0,5 m bis L = 4 m dargestellt. Dabei sind auf der Ordinate des Diagramms
die auf 1 Quadratmeter Anströmfläche bezogene spezifische Wärmeleistung kA in W
(watt pro qua@@atneter und Kelvin) sowie auf den m²K Abszisse die Turmschalenhöhe
(Turmantelhöhe) in m (Meter) aufgetragen. Für unterschiedliche Rohrlängen von L
r 0,5 m bis L P 4 m sind in dem Diagramm Kurven kA = f (H) dargestellt. Diese Kurven
sind mit #1 bis #6 beziffert. Die Kurve #1 ist der Rohrlänge L = 0,5 m zugeordnet;
entsprechend sind #2 der Rohrlänge L = I,O m; #3 der Rohrlänge L - 1,5 m, #4 der
Rohrlänge L = 2,0 m; #5 der Rohrlänge L I 3,0 m und #6 der Rohrlänge L - 4,0 m (m
r Meter) zugeordnet.
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Es wurde empirisch ermittelt, daß die Kurven # zumindest annähernd
der Gleichung
genügen. In dieser Gleichung ist die Länge L der Rohre in Meter, die Turmschalenhöhe
in Meter, das spezifische Gewicht der Luft r in kg einzusetzen; für die Größe m'
W
ka des Rechenergebnisses is die Einheit (Watt pro m²K Quadratmeter und Kelvin einzusetzen.
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Das Diagramm gemäß der Fig. 14 ist aus dem in der Fig. 13 dargestellten
Diagramm entstanden, indem jeweils zu den entsprechenden α-Kurven gebörende
kA - Werte und # p- Werte in das neue Diagramm übertragen worden sind. Dabei wurden
lediglich die kA Werte mit dem Faktor 1,163 zwecks Um-W rechnung in multipliziert,
sowie die entsprechenden m²K #p- Werie gemäß der bekannten Formel #p = g . H . (γ1
- γ2) in Turmschalenhöhen umgerechnet. (Dabei beaeuten: g die Erdbeschleunigung;
H die Turmschalennöhe; γ1, die spzifischen Gewichte der Luft unmittelbar vor
Eintritt In den Wärmetauscher und in der Höhe der Turmschalenoberkante).
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Zur Vereinfachung der Rechnung wurde für (γ1 - γ2) der
Wert zu 0,1 kg angenähert.
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m@ In dieses Diagramm wurden wieder die bekannten Wärmetauscher mit
Rippenrohren (Kraftwerk Schmehausen o; Grootvlei x) analog Fig. 13 hineinprojiziert,
wobei dort ebenfalls (γ1 -γ2) kg zu 0,1 angenähert worden ist.
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m³ Das Diagramm zeigt, daß der erfindungsgemäße Wärmetauscher diesen
bekannten Konstruktionen dann hinsichtlich der Turmabmessungen oder der Wärmeleistung
überlegen ist, wenn die Länge der Rohre o,8 Meter und mehr beträgt.
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Die Anwendung der vorgenannten Gleichung kA ~ f(H) im Zusammenhang
mit den bekannten (dem auf dem Gebiet der Wärmetauscher tätigen Fachmann geläufigen)
Gleichungen wird im folgenden erläutert.
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Eine Umformung bzw. Auflösung der Gleichung
nach der Turmmantelhöhe H führt zu der Gleichung:
wobei e und in die aus der Mathematlk bekannte Bedeutung haben. (ln ist das Zeichen
fUr Logarithmus naturalis; e das Zeichen für eine Exponentialfunktion).
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Weiter gilt: Q = kA . #γ@ . AA (2) # . D² AA = (3) wobei AA
die Anströmfläche vor Eintritt der Luft in die Rohre in m² D Der Durchmesser des
Turmmantels in Höhe seiner Unterkante in Meter Q die Wärmeleistung in W die mittlere
logarithmische Temperaturdifferenz zwischen zu kühlendem Medium und der Luft in
K (K I Kelvin) W kA die spezifische Wärmeleistung in und m²K # = 3,14159 ...
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bedeuten.
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Setzt man die Gleichung (3) in die Gleichung (2) ein, und löst nach
kA auf, denn ergibt sich:
Setzt man die Gleichung (4) in die Gleichung (1) ein, dann erhält
man:
Dabel haben Q, D, H, I, #γm , γ1 , γ 2, die gleiche Bedeutung
und die glelchen Einneiten. wie sie vorher In den Anmeldeunterlagen angegeben sind.
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Nimmt man für die Auslegung eines Wärmetauschers die Gröben Q, γ1,
γ2 und #γm als gegeben an, (z.B. Q = 438 . 106 W; γ1 = 1,233 kg;
γ2 = 1,152 kg und #γm = m³ m³ dann liefert die Gleichung (5) für verschiedene
Werte von D und L entsprechende Werte H. Aus den so gewonnenen Angaben, die am zweckmäßigsten
tabellarisch erfaßt werden, wählt man die aus Wirtschaftlichkeitsgründen und Kostengründen
günstigste Werte-Kombination von H, D und L aus. Unter Zugrundelegung der vorgenannten,
nur als Beispiel zu wertenden Zahlenwerte, für Q, γ, #γm ergibt sich
als zumindest annähernd günstigste Lösung, wenn D - 140 m, L = 1,80 m und H P 30
m gewählt werden.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist nicht auf die dargestellten
und vorbeschriebenen Ausfilhrungsbeispiele beschränkt.
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So können die Stirnwände (z.B. Platten 3) auch zumindest annähernd
senkrecht verlaufen, wobei dann die Rohre 5 entsprechend waagrecht oder annähernd
waagrecht liegen wUrden.
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Bei waagrecht oder annähernd waagrecht liegenden Stirnwänden (Deck-
und Bodenwand) kann auch ein einziges, im wesentlichen aus Stirnwänden, Seitenwänden
und Rohren bestehendes, Wärmetauschelement im Kühlturm oder dgl.
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Gehäuse angeordnet sein.
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Das Wärmeübertragungsmittel kann auch der Turbinenabdampf sein.
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Der Wärmetauscher kann sowohl naturzugbelüftet als auch zwangsbelüftet
sein.
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Die Zwischenwände können auch auf andere Welse als durch die erwähnten
Zwischenbleche (6) gebildet sein.
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Unter dem in der Anmeldung verwendeten Begriff der indirektem Rückkilhlung
eines Wärmeübertragungsmittels mittels Luft soll verstanden werden, daß das WärmeUbertragungsmittel
die Wärme durch die Rohrwände hindurch an die Luft abgibt, d.h. nicht direkt mit
der Luft in Berührung kommt.
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Der Begriff "Wärmetauscher" soll sowohl das oder die Wärmetauschelemente
als auch die Kühlturmkonstruktion od. dgl.
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einschließen.
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L e e r s e i t e