DE2720189B1

DE2720189B1 - Verfahren zum zweistufigen Kuehlen eines in geschlossenem Kreis zirkulierenden Mediums,z.B. des Kondensator-Kuehlwassers einer Waermekraftanlage in einem Waermetauscher und Oberflaechenwaermetauscher zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2720189B1
Application number: DE2720189A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl-Ing Dr Sc N Oplatka
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1978-06-22
Also published as: AU516560B2; AU3345278A; ZA781625B; HU182004B; ATA846977A; DE2720189C2; DE7714260U1; CH617003A5; AT351572B; FR2385066A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zweistufigen Kühlen eines in einem geschlossenen Kreis zirkulierenden Mediums, z. B. des Kondensator-Kühlwassers einer Wärmekraftanlage in einem Oberflächenwärmeaustauscher, wobei in der ersten Stufe als strömendes Kühlmittel unbehandelte Umgebungsluft verwendet wird und die zweite Kühlstufe mit Wasser als Kühlmittel arbeitet. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Oberflächenwärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Kühlverfahren ist aus der AT-PS 21967 bekannt. Ein in einem geschlossenen Kreis zirkulierendes Medium wird in einer ersten Stufe mittels luftgekühltem Oberflächenwärmeaustauscher und in einer zweiten Stufe im selben Austauscher mit Luft und Wasser gekühlt. Hierbei wird der Wärmeaustauscher über Zerstäuberdüsen mit Wasser berieselt, und zwar auf verschiedenen Höhenlagen. In der zweiten Stufe arbeitet die Kühleinrichtung demnach wahlweise als Berieselungskühler, wenn Kühlwasser zugeschaltet wird, beispielsweise bei hoher Lufttemperatur, oder aber als reiner Luftkühler, beispielsweise bei tiefer Lufttemperatur. In ersterem Fall wird die Außenfläche des Kühlers mit Wasser bespritzt, welches an den Kühlrippen abrieselt und dabei teilweise verdampft, und teilweise in einem Becken unterhalb des Kühlers aufgefangen wird. Das verdampfte Wasservolumen wird durch Zusatzwasser ergänzt, und hierauf wird das Kühlwasser wieder zu den Zerstäuberdüsen zurückgepumpt.

Ein derartiger Kühler erfordert neben einer speziellen Geometrie der Kühlrohre und den Zerstäuberdüsen auch eine relativ große Pumparbeit, falls die gesamte Austauschfläche der zweiten Stufe mit einem Wasserfilm überzogen werden soll. Ferner ist im Falle, wo nur das unbedingt für die Kühlung zu verdampfende Wasser gebraucht wird, eine Aufbereitung des Kühlwassers erforderlich, um eine Verkrustung der Rippenrohre zu vermeiden, oder aber im Falle, wo reichhaltig Wasser zirkuliert, ist eine Abschlämmung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hohen Umgebungstemperaturen den benötigten Kühlungseffekt mit wenig kostspieligen Mitteln zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in der ersten Stufe die größere Abkühlung und die kleinere Abkühlung in der zweiten Stufe durch mit Wasser vorgekühlter Umgebungsluft erfolgt.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu

sehen, daß die Betriebsweise des Kühlers nicht auf dem steilen Ast der Charakteristik bei konventioneller Luftkühlung zu liegen kommt, obschon als strömendes Medium nur Luft verwendet wird.

Ein als Trockenkühlturm ausgebildeter Oberflächenwärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß am Außenumfang des Kühlturmes angeordnete, durch Wasserkammern zusammengefaßte Rohrbündel paarweise so quer zum Kühlluftstrom liegen, daß ihre Endwärmeaustauschbereiche, welche zur Nachkühlung bestimmt sind und mindestens ein Achtel der gesamten Austauschfläche ausmachen, benachbart sind und daß ihnen eine einen Teil des Kühlluftstromes vom restlichen Teil abschirmende, haubenartige Leitvorrichtung vorgesehen ist, in der die durchströmende Umgebungsluft auf bekannte Art durch Wasser, z. B. durch Verdunstung, gekühlt wird.

Der besondere Vorteil dieses Wärmeaustauschers ist in seiner Einfachheit zu sehen. Die zweistufige Abkühlung vollzieht sich in einem einzigen Apparat.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema des kalten Endes eines Wärmekraftwerkes,

F i g. 2 einen lotrechten Teilschnitt durch den Bereich der Wärmetauschfläche eines Trockenkühlturmes,

F i g. 3 einen waagerechten Teilschnitt des Kühlturmumfanges nach F i g. 2 entlang der Schnittlinie A-A,

Fig. 4 eine teilweise Ansicht von außen der Wärmeaustauschflächen,

F i g. 5 ein Schaubild: Temperatur in Funktion von beaufschlagter Wärmeaustauschfläche,

F i g. 6 eine Abwandlung der Rohrbündelanordnung gemäß F i g. 3,
F i g. 7 eine Abwandlung des Kühlteils gemäß F i g. 2,

F i g. 8 einen waagerechten Teilschnitt des Kühlturmumfanges nach F i g. 7 entlang der Schnittlinie B-B.

Die Erfindung wird am Beispiel des kalten Endes

ORIGINAL JNSPECTEO

einer Dampfturbinenanlage erläutert. Erfindungsunwesentliche Teile, wie beispielsweise Umwälzpumpen, sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. Für gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Der in der Abdampfleitung 1 strömende Turbinenabdampf wird in einem konventionellen, wassergekühlten Kondensator 2 niedergeschlagen und über die Kondensatleitung 3 über die nicht gezeigte Vorwärmerstraße zum ebenfalls nicht gezeigten Dampferzeuger gefördert. In geschlossenem Kreis 4 wird das Kondensatorkühlwasser, nachfolgend »zu kühlendes Medium« genannt, im Oberflächenwärmetauscher 5 gekühlt. In letzterem ist der für die erfindungsgemäße Nachküh- B lüng bestimmte Teil mit 6 bezeichnet.

Im gewählten Beispiel ist der Oberflächenwärmetauscher 5 ein Trockenkühlturm, bei dem die Kühlluft die vom zu kühlenden Medium abgegebene Wärme durch konvektive Übertragung aufnimmt.

In F i g. 2 ist schematisch die Anordnung der Rohrbündel 7, welche die Wärmetauschflächen bilden, angedeutet. Die Rohre stehen vertikal und sind über die Wasserkammern 8 und 9 untereinander verbunden. Die Wasserkammern 9 sind an eine nicht gezeigte Ringrohrleitung angeschlossen. In den F i g. 3 und 4 ist ein Teil des Kühlturmumfanges dargestellt. Man erkennt, daß die zu Bündeln 7 zusammengefaßten Kühlrohre in einer Zweifluß-Anordnung (a', a") ausgeführt sind und in Richtung des Turmumfanges getrennte Gruppen (^bilden.

Die Ringleitung zur Zuführung des zu kühlenden Mediums ist an die Wasserkammern 9' angeschlossen, das Medium steigt in den Rohrbündeln 7 des ersten Flusses a'hoch zu den Wasserkammern 8 und fließt in den Rohrbündeln des zweiten Flusses a"abwärts in die Wasserkammer 9", die an die nicht gezeigte abführende Sammelleitung angeschlossen ist, aus welcher es als Kaltwasser wiederum dem Kondensator 2 zugeführt wird. Je zwei Flüsse a" benachbarter Gruppen b sind einander zugewendet und je an die Sammelleitung angeschlossen.

Erfindungsgemäß wird nun mindestens Vs der gesamten Austauschfläche nicht mit unbehandelten LJmgebungsluft durchströmt, und mindestens '/β der Austauschfläche ist mit einer Zusatzkühlung versehen. Im gezeigten Beispiel geschieht dies durch Anordnung einer Leitvorrichtung 10 (F i g. 2) an dem nachzukühlenden Teil. Die Leitvorrichtung 10 weist im wesentlichen eine Ummantelung aus zwei Seitenwänden 11 und einer Überdachung 12 auf. Sie schirmt am kalten Ende der Wärmeaustauschflächen den speziell zu kühlenden Teil zweier benachbarter, abwärtsführender Flüsse a"gegen den von unbehandelter Umgebungsluft durchströmten Hauptteil ab. Um den mit beispielsweise Ve der Gesamtfläche angegebenen Teil abzugrenzen, muß bei der gewählten, rein vertikalen Zweifluß-Anordnung die Höhe der Seitenwände 11 '/4 der Rohrbündelhöhe betragen.

Die erfindungsgemäße Zusatzkühlung wird nun derart vollzogen, daß die über die Leitvorrichtung 10 angesaugte Umgebungsluft innerhalb der Ummantelung abgekühlt wird. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch Wasser, wobei dieses vorzugsweise durch Düsen versprüht wird, oder durch Wasserregen oder an in Richtung der Luftströmung angebrachten, nicht gezeigten Leitvorrichtungen, beispielsweise Platten oder Gitter, zu Rieselfilmen ausgebildet wird. Diese eigentliche, an sich bekannte Luftkühleinrichtung dient dazu, die Temperatur der Umgebungsluft auf eine tiefere Temperatur abzusenken, wodurch ein höherer Kühleffekt in den durchströmten Rohrbündeln erzielt wird. Vorzugsweise wird die Luft durch Versprühen von Wasser mit Wasserdampf gesättigt; in diesem Fall sinkt die Trockenthermometertemperatur auf jene des Feuchtthermometers. Ist das Wasser kalter als die Feuchtlufttemperatur, so kann prinzipiell die Umgebungsluft auch tiefer abgekühlt werden.

Die Wirkungsweise der Erfindung beruht insbesondere darauf, daß die vorgekühlte Luft denjenigen Teil der Wärmeübertragungsfläche beaufschlagt, an dem die Temperaturdifferenzen zwischen ungekühlter Umgebungsluft und bereits teilweise abgekühltem Medium am geringsten sind. Nur durch die derartige Anwendung wird der erwünschte Effekt am wirkungsvollsten erzielt, wie aus nachstehendem Rechenbeispiel ersichtlich ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird das Beispiel vereinfacht gerechnet, wodurch es im Prinzip nur für die vordersten Reihen der Rohrbündel zutrifft, jedoch bereits eine recht genaue Näherung für das ganze Rohrbündel darstellt.

Im Falle, wo die Temperatur der Kühlluft beim Eintritt in den Wärmetauscher konstant ist, gilt für die Wärmeübertragung:

Temperaturausnutzungsgrade = 1 -e~»worin φ die Wärmeaustauschzahl ist.

Die expliziten Formeln sind:

- t

vil

worin

Ui = Wassereintrittstemperatur,
Ui = Wasseraustrittstemperatur,
ti = Lufttemperatur

worin

k- A c- M '

k = Wärmedurchgangszahl,
A = Wärmeübertragungsfläche,
c = spezifische Wärme des zu kühlenden Mediums,
M = Massenstrom des zu kühlenden Mediums.
Die abzuführende Wärme ist

q = cM(U ι - U2) = cM ■ Au

gleich in beiden betrachteten Fällen.

Für die numerische Rechnung werden übliche Größen angenommen:

φ = 1,6,

t_L = 30⁰C,

ψ/. = 0,6 = rel. Feuchtigkeit,

U = 20⁰C.

— Bei konventioneller Kühlung mit Umgebungsluft nach üblicher Art, ohne Zusatzkühlung ist

= 1 - _e-' = 0,8

= t_L +

■ lt.

= 55°C.

— Beispielsweise sei nun ¹A der gesamten Austauschfläche erfindungsgemäß mit vorgekühlter Luft von t_L = 24°C beaufschlagt. Das ist die Temperatur der von 30⁰C und ψ = 0,6 durch Wasserzugabe gesättigten Luft.

Die erste größere Abkühlung verläuft im ersten ³/4 der Wärmeübertragungsfläche

1,2;ε = 1-e-) =0,7.

Für die nachfolgende, kleinere Abkühlung mit ¹At der Wärmeübertragungsfläche gilt:

1/4 φ = 0,4; ε = 0,33.

unverändert.

Die Temperaturen des zu
errechnen sich nunmehr aus:

f 1 - f l f₂ +

₌ 52,55°C ,

= 52,55 - 20 = 32,55° C

10

15

Um die gleiche Wärmemenge abzuführen, bleibt die Temperaturdifferenz

kühlenden Mediums

30

Die Temperaturdifferenz des abgekühlten Mediums bei konventioneller Kühlung mit Umgebungsluft und bei angewandter, teilweiser Zusatzkühlung beträgt somit 35-32,55 = 2,45°C.

Diese Temperaturdifferenz wirkt sich unmittelbar auf die Kondensattemperatur aus. Der mit der erfindungsgemäßen Maßnahme erzielte Effekt läßt sich mit andern Worten ausdrücken: Da bei einem Kondensator im üblichen Druckbereich eine Temperaturdifferenz von TC je nach Gesamtgefälle eine Wirkungsgradverbesserung von etwa 0,4 bis 0,7% bewirkt, entsprechen die 2,45° C einem Gewinn im Wärmeverbrauch von 1 bis 1,5%.

Im Diagramm in F i g. 5 ist die Wirkung der Erfindung qualitativ veranschaulicht. Auf der Abszisse ist die beaufschlagte Austauschfläche A, auf der Ordinate die Temperatur t aufgetragen. Die mit iz.und f/. bezeichneten und zur Abszisse parallel verlaufenden Linien geben die Lufttemperaturen, die mit K und E bezeichneten Kurven den Temperaturverlauf des zu kühlenden Mittels entlang dem Kühlungsweg an. Die Kurve K für konventionelle Kühlung liegt höher, die für die erfindungsgemäße Kühlung E entsprechend vorstehendem Rechenbeispiel tiefer. Sie weist an der Stelle, an der die Zusatzkühlung einsetzt, einen Knick auf. Es bezeichnen ίκ die jeweiligen Kondensattemperaturen für beide Fälle (K) und (E); sie liegen um die Grädigkeit Γ des Kondensators höher als die Wassereintrittstemperaturen i„ 1.

Zur Betriebsweise der Einrichtung wäre zu bemerken, daß diese auch ohne Zusatzkühlung betrieben werden kann, falls dies aufgrund der Betriebslast oder bei genügend niedrigen Lufttemperaturen nicht erforderlich ist.

Wollte man im Gegensatz hierzu die ganze Kühlluftmasse durch Befeuchtung kühlen (wie bekannt), so hätte dies gewisse Nachteile zur Folge:

— soll die gleiche Kühlwirkung erzielt werden, so wird etwa die doppelte Wassermenge benötigt;

— wird die gleiche Wassermenge verwendet, so reduziert sich der Kühleffekt etwa auf die Hälfte;

— eine technische Lösung, die eine gleichmäßige Befeuchtung der gesamten Kühlturmfläche erzielt, ist kaum realisierbar;

— die Investitionskosten der Befeuchtungsanlage steigen um ein Vielfaches.

In F i g. 6 ist eine Rohrbündelanordnung gezeigt, bei welcher die Kühlrohre wie in der Ausführung gemäß F i g. 3 vertikal verlaufen, und ebenfalls in einer Zweifluß-Anordnung a', a" getrennte Gruppen b am Turmumfang bilden. Die Rohrbündel sind nicht rein tangential angeordnet, liegen jedoch in tangentialer Richtung nebeneinander, wobei die Flüsse a' und a" zweier nebeneinander liegenden Bündel einander zugewandt sind. Gegenüber der Bündelanordnung nach F i g. 3 bietet diese Konfiguration eine größere Luftangriffsfläche.

In den F i g. 7 und 8 ist schematisch eine horizontale Einfluß-Rohrbündelanordnung gezeigt. Beim gewählten Beispiel durchströmt das zu kühlende Medium die radial angeordneten Rohrbündel von außen nach innen. Entsprechend dieser Anordnung entfallen für den nachzukühlenden Teil die Seitenwände 11 und die »Abdachung« 12 der Leitvorrichtung 10 besteht aus 2 Kreisringen.

Selbstverständlich wäre auch bei einer derartigen Konfiguration eine Zweifluß-Anordnung denkbar, wobei der nachzukühlende Teil analog zu Fig.4 mit ringsherum angeordneten, kammerartig ausgebildeten Leitvorrichtungen versehen wäre. Je nach Strömungsrichfting des zu kühlenden Mediums könnte die Leitvorrichtung sowohl am inneren als auch am äußeren Umfang der radial angeordneten Flüsse angebracht sein.

Desgleichen fallen auch nicht rein radiale sowie nicht rein horizontale Rohranordnungen nicht aus dem Rahmen der Erfindung. Sinnentsprechend können auch die in den F i g. 2, 3 und 6 gezeigten Rohrstellungen abweichend von der reinen Vertikalen ausgebildet werden.

Die Erfindung ist darüber hinaus nicht auf das Gezeigte oder das Beschriebene beschränkt.

So könnte der Kondensator am kalten Ende der Dampfturbinenanlage in Abweichung zur gezeigten Konfiguration als Oberflächenkondensator ebenfalls ein Mischkondensator sein. Das zu kühlende Medium wäre in einem solchen Fall nicht das Kondensatorkühlwasser, sondern ein Gemisch aus Kondensat und Kühlwasser.

Ebenso kann beispielsweise die erfindungsgemäße Zusatzkühlung auch dadurch erfolgen, daß nicht die Umgebungsluft vorgekühlt wird, sondern daß eine lokale Außenbesprühung der stärker zu kühlenden Wärmeaustauschflächen vorgenommen wird. In diesem Falle ist die in der Zeichnung gezeigte Leitvorrichtung selbstverständlich überflüssig. Bei dieser Methode wäre zu beachten, daß unter Umständen aufbereitetes Wasser verwendet wird, um Salzablagerungen und Verkrustungen an den in der Regel berippten Kühlrohren zu vermeiden.

Ebenso könnte der Oberflächenwärmetauscher, in

7 8

welchem die zweistufige Kühlung vollzogen wird, ein aus einem zweiten kleineren Trockenkühlturm für die

eigentliches Kühlturmsystem sein. Dies könnte bei- restliche Abkühlung. Die Betriebsweise eines derartigen

spielsweise aus einem ersten Trockenkühlturm für die Systems wäre zweckmäßigerweise die, daß die kleinere

größere Abkühlung entsprechend dem höheren Tempe- Kühleinheit nur bei Last- oder Temperaturspitzen

raturbereich des zu kühlenden Mediums bestehen sowie > betrieben wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum zweistufigen Kühlen eines in einem geschlossenen Kreis zirkulierenden Mediums, z. B. des Kondensator-Kühlwassers einer Wärmekraftanlage in einem Oberflächenwärmeaustauscher, wobei in der ersten Stufe als strömendes Kühlmittel unbehandelte Umgebungsluft verwendet wird und die zweite Kühlstufe mit Wasser als Kühlmittel arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe die größere Abkühlung und die kleinere Abkühlung in der zweiten Stufe durch mit Wasser vorgekühlter Umgebungsluft erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Umgebungsluft für die zweite Kühlstufe in einer von der ungekühlten Umgebungsluft abgeschirmten Strömung vor dem Eintritt in die End-Austauschflächen des Wärmeaustauschers durch Besprühen oder Berieseln erfolgt.

3. Als Trockenkühlturm ausgebildeter Oberflächenwärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Kühlturmes angeordnete, durch Wasserkammern (8, 9) zusammengefaßte Rohrbündel (7) paarweise so quer zum Kühlluftstrom liegen, daß ihre Endwärmeaustauschbereiche (6), welche zur Nachkühlung bestimmt sind und mindestens ein Achtel der gesamten Austauschfläche ausmachen, benachbart sind und daß ihnen eine einen Teil des Kühlluftstromes vom restlichen Teil abschirmende, haubenartige Leitvorrichtung (10,11, 12) vorgesetzt ist, in der die durchströmente Umgebungsluft auf bekannte Art durch Wasser, z. B. durch Verdunstung, gekühlt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (7) lotrecht oder annähernd lotrecht angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (7) horizontal oder annähernd horizontal angeordnet sind und daß sie von der Kühlluft von unten nach oben durchströmt werden.