DE2815830C2

DE2815830C2 - Kühlturm

Info

Publication number: DE2815830C2
Application number: DE2815830A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl.-Ing. Baer; Hans Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Dittrich; Günter Prof. Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Ernst; Dieter Dr.-Ing. 7507 Pfinztal Wurz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-12
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1982-12-16
Also published as: ZA791671B; FR2422920A1; AT361954B; GB2018966B; JPS54139149A; DE2815830A1; ATA276179A; FR2422920B1; GB2018966A

Description

tana(z) = — ■

P,

10

. A- . Mz)V »ο V do J

worin α der genannte Winkel, g die Erdbeschleunigung, Q₃ und ρ, die Dichten des Gases innerhalb (i) und außerhalb (a) des Kühlturms, ζ die vertikale Koordinate, do bzw. d(z) der Durchmesser der Innenkontur des Mantels in der Höhe ζ — 0 bzw. ζ und W₀ die Schwadengeschwindigkeit in der Höhe ζ = 0 bedeuten.

2. Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur im verjüngten Bereich gekrümmt ist.

3. Kühlturm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur im verjüngten Bereich einen konstanten Krümmungsradius hat.

4. Kühlturm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius das Ein- bis Zweifache des Austrittsdurchmessers (d_u) beträgt.

5. Kühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da3 die Höhe, in der die für den Winkel (α) angegebene Beziehung gilt, zwischen 2 und 10% des Austrittsdurchmessers beträgt.

40

Die Erfindung betrifft einen Kühlturm mit einem Mantel, der im Bereich der Krone nach innen verjüngt ist.

Bei einem bekannten Kühlturm dieser Art (DE-AS 24 14 172) soll der Mantel im Bereich der Krone zur Vermeidung von Kaltlufteinbrüchen verjüngt werden, wobei das Verhältnis zwischen Höhe und größtem Durchmesser des am oberen Öffnungsrand endenden verjüngten Bereiches größer als '/12 und kleiner oder gleich '/3 und das Flächenverhältnis zwischen der kleinsten und der größten Querschnittsfläche des verjüngten Bereiches nicht kleiner als '/2 sein sollen.

Jede Verjüngung des Mantels bewirkt eine Beschleunigung, die Auftriebs- und damit Wirkungsgradverluste zur Folge hat. Die Verjüngung sollte also in Höhe und Winkel gegenüber der Vertikalen so beschränkt wie möglich gestaltet werden. Andererseits muß die Verjüngung ausreichend bemessen werden, um Kaltlufteinbrüche, welche zu Wirkungsgradverlusten bis zu 25% führen können, sicher zu vermeiden. Es besteht also das Bedürfnis nach einer Optimierungsvorschrift für die Gestaltung der Verjüngung der Innenkontur des Mantels im Bereich der Krone, welche über die allgemeine Lehre der DE-AS hinaus jeweils die optimale Kronengestaltung für jeden Einzelfall zu realisieren ermöglicht.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, dem Kühlturmkonstrukteur Gestaltungsregeln an die Hand zu geben, die ihm eine optimale Dimensionierung des verjüngten Bereiches der Krone für alle in der Praxis vorkommenden absoluten Kühlturmabmessurigen und Betriebsbedingungen mit dem Ergebnis ermöglichen, daß Kaltlufteinbrüche sicher vermieden werden und andererseits die mit der Verjüngung verbundenen Auftriebsverluste klein gehalten werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Winkel zwischen der Tangente an die Innenkontur und der Vertikalen in einem Bereich der Krone, dessen Höhe maximal 20% des Austrittsdurchmessers des Kühlturmes beträgt, nicht kleiner bemessen ist als sich aus der folgenden Beziehung ergibt:

tane(z) = —

8 ■

»o²

Mz)V
\<k J
(Gl. 1)

worin α der genannte Winkel, gdie Erdbeschleunigung, Q_a und ρ, die Dichten des Gases innerhalb (i) und außerhalb (a)des Kühlturmes, ζ die vertikale Koordinate, do bzw. d(z) der Durchmesser der Innenkontur des Mantels und wo bzw. w(z) die Gasgeschwindigkeit jeweils in der Höhe ζ = 0 bzw. ζ bedeuten.

Wird der Neigungswinkel des verjüngten Bereiches gemäß d?r Formel gewählt, so werden Kaltlufteinbrüche gerade vermieden, d. h., die Strömung im Kühlturm ist gerade stabil. Wird der Neigungswinkel gegenüber der Vertikalen kleiner, so wird die Strömung instabil, d. h., Kaltlufteinbrüche sind nicht mehr auszuschließen. Wird dagegen der Neigungswinkel größer gemacht als in der Formel angegeben ist, so wird die Strömung stabiler, d. h., Kaltlufteinbrüche werden mit größerer Sicherheit vermieden.

In die genannte Formel gehen absolute Abmessungen bzw. Arbeitsbedingungen des Kühlturms, nämlich Durchmesser, Geschwindigkeiten und Dichten außerhalb und innerhalb des Kühlturms, unmittelbar ein. Der in der Formel angegebene Grenzneigungswinkel, unterhalb dessen stabiler Betrieb nicht mehr gewährleistet werden kann, verändert sich mit diesen absoluten Abmessungen in der in der folgenden Figurenbeschreibung noch näher beschriebenen Weise.

Wenn an einer Stelle der Innenkontur des Kühlturmes der Winkel der obengenannten Formsl genügt oder größer ist, dann ist Stabilität für oberhalb der genannten Stelle der Kontur gelegene Bereiche jedenfalls auch dann gegeben, wenn der genannte Winkel beibehalten wird (konische Verjüngung) oder noch vergrößert wird (einwärts gekrümmte Verjüngung). Eine Krümmung der Innenkontur im verjüngten Bereich mit konstantem Krümmungsradius ist hinsichtlich der Herstellung besonders zweckmäßig bei einem Betonkühlturm, der mit Kletterschaltung hergestellt werden soll.

In der Praxis beträgt der Krümmungsradius zweckmäßig das Ein- bis Zweifache des Austrittsdurchmessers. Die Höhe, in der die für den Winkel angegebene Beziehung gilt, liegt vorteilhaft im Bereich zwischen 2 und 10% des Austrittsdurchmessers. In diesem sogenannten stabilisierten Bereich ist gewährleistet, daß die Druckgradienten innerhalb und außerhalb der Krone sich wie folgt zueinander verhalten

/8ρ\ ^, /dp (— ) (

(Gl. 2)

Das Zeichen > gilt dann, wenn der Winkel χ größer als der aus Gleichung (1) errechnete Winkel gemacht wird.

Dabei bedeuten ρ der Druck, / innen, a außen und ζ vertikal nach unten weisende Koordinate. In dem gemäß der Erfindung gestalteten Bereich der Krone wird eine Sperrschicht erzeugt, die Kaltlufteinbrüche deshalb verhindert, weil die Summe aus spezifischem Gewicht des Schwadens und volumenbezogenen Trägheitskräften größer als das spezifische Gewicht der Außenluft ist.

Die Gleichung (1) läßt sich zu folgender Beziehung auflösen:

Darin ist d_c ein Durchmesser am Anfang oder im verjüngten Bereich der Krone, der in der Praxis in der Größenordnung zwischen 0,4 do und 0,8 do liegen kann.

Dem Konstrukteur sind die in Gleichung (3) angegebenen Dichten, die Geschwindigkeit ho und der Durchmesser unmittelbar oberhalb der Kühlturmeinbauten do vorgegeben. Den Durchmesser d_c wählt der Konstrukteur zweckmäßig innerhalb der genannten Grenzen.

Mit Gleichung (3) kann nun der Konstrukteur für jede Höhe z, die oberhalb der Höhe z_e liegt, den zugehörigen Durchmesser d(z) ausrechnen und erhält damit eine »Grenzinnenkontur«, längs der die Stabilitätsbedingung nach Gleichung (1) gerade erfüllt ist.

Zweckmäßig wird der Konstrukteur die Durchmesser noch etwas kleiner machen bzw. den Winkel der Tangente gegenüber der Vertikalen noch etwas vergrößern, um auf der sicheren Seite zu liegen, d. h. mit Sicherheit Stabilität zu gewährleisten. Beispielsweise ist der Konstrukteur auf der sicheren Seite, wenn er oberhalb der Höhe z_e die Kontur noch weiter einwärts krümmt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Maßskizze eines Kühlturms mit den für die Dimensionierung des Kronenbereiches wesentlichen Größen,

F i g. 2 bis 5 Kronenbereiche von mehreren Kühltürmen unterschiedlicher Abmessungen, wobei die Innenkonturen der verjüngten Kronenbereiche an jeder Stelle ihrer Höhe der Gleichung (3) genügen,

Fig.6 bis 8 gekrümmt gestaltete Kronenbereiche von Kühltürmen unterschiedlicher Abmessungen, wie sie in der Praxis zweckmäßig ausgeführt werden.

In Fig. 1 ist schematisch ein Naturzug-Kühlturm mit den in den Gleichungen (1) bis (3) verwendeten Bezeichnungen dargestellt. Der gezeigte Kühlturm hat einen Mantel 1 mit Eintrittsöffnungen 2 an seinem unteren Ende für die Umgebungsluft, die nach Passieren der Einbauten 3, meist in Form von Tropfenabscheidern iür zu kühlendes herabrieselndes Wasser, in eine Verengung 4 und von dort in einen zylindrischen/Bereich 5 gelangt. Darauf wird die Umgebungsluft bzw. der Schwaden in einem gemäß der Erfindung verjüngten Bereich 6 beschleunigt und verläßt schließlich den Kühlturm über die Austrittsöffnung 7.

Die in F i g. 1 eingezeichneten Größen haben folgende Bedeutungen:

ζ — Höhenkoordinate (z=0 im Basisquerschnitt)

z_c — Höhe, von der an der stabile Bereich 6 des

Kühlturms beginnt

h — Höhe des Kühlturmkamins

h_$i — Höhe des stabilen Bereiches

H — Gesamthöhe des Kühlturms

(x(z) — Winkel zwischen der Tangente an die Innenkontur des Kühlturms im stabilen Bereich und der Vertikalen, bei dem gerade Stabilität erzielt ist

do — Durchmesser im Basisquerschnitt unmittelbar über den Einbauten 3

da - Durchmesser im Austrittsquerschnitt

d(z) — Durchmesser in der Höhe ζ

d_c — Durchmesser an der Stelle der Krone, an der der stabile Bereich 6 beginnt

W₀ — Geschwindigkeit des Schwadens im Basisquerschnitt

Q₃ — Dichte des Schwadens außerhalb des Kühlturms

ρ, — Dichte des Schwadens im Kühlturm

g — Erdbeschleunigung

Der Bereich des Mantels 1 mit der Höhe h wird als Kühlturmkamin bezeichnet, der bei einem Naturzug-Kühlturm oder einem zwangsbelüfteten Kühlturm mit drückend angeordneten Ventilatoren oberhalb der Einbauten bzw. bei einem zwangsbelüfteten Kühlturm mit saugend angeordneten Ventilatoren oberhalb der Ventilatoren beginnt. Der Kühlturmkamin stellt also denjenigen Teil des Kühlturmmantels 1 dar, in dem der Schwaden nicht mehr durch eingebaute Vorrichtungen abgebremst oder beschleunigt wird, sondern nur noch durch eine Veränderung der Mantelform, wie eine Verengung oder eine Erweiterung.

Die Höhe Λ« sollte nicht mehr als 20% des Austrittsdurchmessers d_a betragen. Üblicherweise liegt der Austrittsdurchmesser d, in der Größenordnung des 0,4- bis 0,5fachen der Gesamthöhe H, so daß sich die Höhe hst des stabilen Bereiches auch als Bruchteil der Gesamthöhe //darstellen ließe.

Die angegebene Beschränkung der Höhe h_s, des stabilen Bereiches ist deshalb wichtig, weil in diesem Bereich der Kühlturm verengt wird, was zu einer Beschleunigung des Schwadens führt. Es sollten jedoch Beschleunigungen im Kronenbereich so klein wie möglich gehalten werden, um die mit einer Beschleunigung zwangsläufig verbundenen Auftriebsverluste zu beschränken. In der Praxis wird man deshalb eine Größenordnung für h_si von 2 bis 10%, vorzugsweise etwa 5% des Austrittsdurchmessers d_a realisieren.

Wenn der verjüngte Bereich gemäß der Vorschrift nach Gleichung (1) bzw. (3) gestaltet wird, dann ist gerade sichergestellt, daß in jeder beliebigen Höhe ζ innerhalb des stabilen Bereiches der Höhe h₅, gerade eine solche Verjüngung bzw. ein solcher Winkel <x(z) zwischen der Tangenten an den verjüngten Bereich und der Vertikalen vorliegt, daß der Kühlturm »stabil« ist, d. h. Kaltlufteinbrüche gerade verhindert werden. Deshalb stellt der Winkel tx(z)den zur Erzielung stabiler Verhältnisse mindestens erforderlichen Winkel dar und ist deshalb im folgenden auch »Grenzwinkel« genannt. Dem Konstrukteur, der einen Kühlturm zu gestalten hat, sind die Dichten q_ü, ρ* die Geschwindigkeit am

Basisquerschnitt w₀, die Höhen H und h etwa vorgegeben. Er kann dann aus Gleichung (1) in jeder Höhe ζ des gemäß der Erfindung zu verjüngenden

Tabelle 1

Bereiches den Grenzwinkel <x(z) errechnen, so daß er auf diese Weise punktweise die Kontur für die in der Praxis vorgegebenen Bedingungen erhält.

VJ 1 WIIAj TT Wirk'	*Pa' t*	in m	^ = 0,06	0,5	0,6	Wl JWIII\	/UVlIV U(	= 0,08	0,5	P,	0,7	*Pa - P,*	do in m	π ι π	0,5	0,6	0,7
	Pi	50	d(z)/d₀ 0,4	1 r\ Λ	29,8		*Pa - Pi* Pi	d(z)/J₀ 0,4	17,0		58,8	P,	50	— U, IU	21,0		64,1
	75	4,3	19,0	40,6	0,7	do in m	5,7	24,7	0,6	68,0	75	d(z)/d₀ 0,4	29,9	55,0	72,1
	100	6,4	24,7	48,8	51,0	50	8,6	31,5	37,3	73,1	100	7,2	37,5	62,3	76,4
W₀	125	8,6	29,9	55,0	61,7	75	11,4	37,5	48,8	76,4	125	10,7	43,8	67,2	79,0
= 1,0 m/s	50	10,7	5,8	14,3	68,0	100	14,1	7,8	56,8	36,2	50	14,1	9,7	23,0	42,5
	75	1,9	8,7	20,9	72,1	125	2,6	11,6	62,3	47,7	75	17,4	14,3	32,4	54,0
	100	2,9	11,6	27,0	28,8	50	3,8	15,2	18,7	55,7	100	3,2	18,8	40,3	61,4
W₀	125	3,8	14,3	32,4	39,5	75	5,1	18,8	27,0	61,4	125	4,8	23,1	46,7	66,4
= 1,5 m/s	50	4,8	3,3	8,1	47,7	100	6,4	4,4	34,1	22,4	50	6,4	5,5	13,4	27,3
	75	1,1	4,9	12,1	54,0	125	1,4	6,6	40,3	31,7	75	7,9	8,2	19,7	37,7
	100	1,6	6,6	16,0	17,2	50	2,2	8,7	10,8	39,5	100	1,8	10,8	25,5	45,9
W₀	125	2,2	8,2	19,7	24,9	75	2,9	10,8	16,0	45,9	125	2,7	13,5	30,8	52,2
= 2,0 m/s		2,7		31,7	100	3,6	20,9			3,6
			37,7	125		25,5	4,5

variierten Geschwindigkeiten wo im Basisquerschnitt und variierten Dichteverhältnissen sowie ferner variierten Verhältnissen d(z)/do sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Die in dieser Tabelle angegebenen Zahlenwerte für den Grenzwinkel ac(z), bei dessen Verwirklichung gerade Stabilitäi erzielt ist, lassen folgende Tendenzen erkennen:

(1) Mit zunehmendem Durchmesser do und mit zunehmendem Verhältnis d(z)/do sowie mit zunehmendem Dichteverhältnis muß der Grenzwinkel oc(z) größer gemacht werden, um Stabilität zu erzielen, d. h. Kaltlufteinbrüche zu verhindern.

(2) Mit zunehmender Geschwindigkeit W₀ kann der Grenzwinkel «^kleiner gemacht werden.

50

In den F i g. 2 bis 5 sind für die auch in der Tabelle 1 angegebenen Zahlenwerte für d₀ von 50, 75, 100 und 125 m, wo = 1,5 m/s und

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der verjüngte Bereich 6 im Bereich z=z_c und z=h gezeichnet, wobei längs diesen Innenkonturen in jeder Höhe ζ ein solcher Winkel ot(z) verwirklicht ist, bei dem gerade Stabilität erziel, ist Wie aus den Fig.2 bis 5 ersichtlich, nimmt der Winkel x(z) mit zunehmendem Durchmesser do zu. Dabei ist die Höhe h_sr des stabilen Bereiches 6 zu etwa 0,1 do gewählt

Die Innenkonturen des verjüngten Bereichs 6 in den F i g. 2 bis 5 sind punktweise durch Bestimmen des zu jeder Höhe ζ gehörigen Durchmessers d(z) nach Gleichung (3) bestimmt.

Der Konstrukteur kann also für jegliche vorgegebenen Bedingungen eine zugehörige »Grenzkontur« aus der Stabilitätsbedingung nach Gleichung (1) bzw. (3) ermitteln. Stabilität ist jeweils bei einer Verjüngung mit einem Winkel λ gewährleistet, der größer oder gleich dem Grenzwinkel <x(z) auf dieser Kontur ist. Der Konstrukteur wird also die Innenkontur des Kühlturms in der Praxis je nach dem für den Kühlturm verwendeten Material und den Hersteilungsbedingungen so gestalten, daß sie innerhalb der »Grenzkontur« des verjüngten Bereichs 6 verläuft, um mit Sicherheit für alle Betriebszustände Stabilität zu erzielen.

Soll beispielsweise ein Kühlturm aus Beton gefertigt werden, so ist eine Innenkontur im Bereich der Krone mit einem konstanten Krümmungsradius zu bevorzugen, wobei dieser Krümmungsradius zweckmäßig in der Größenordnung eines Durchmessers d\ in einem etwa zylindrischen Bereich 5 des Mantels liegt Man kann dann den Kühlturm einschließlich des verjüngten Bereiches 6 der Krone unter Verwendung einer Kletterschalung bauen.

Aus den geometrischen Beziehungen ergibt sich für diesen Fall

«1

Setzt man Gleichung (4) in Gleichung erhält man

a = arc tan — (2cosa- l)^s

Pa-P

(Gl. 4) (1) ein, so L. A]

(Gl. 5)

Die Lösung von Gleichung (5) ergibt einen Grenzwinkel &(z_c), bis zu dem hin die Innenkontur mindestens gekrümmt werden muß, um das Stabilitätskriterium zu erfüllen. Bei dieser Einengung mit der Höhenkoordinate z_e beginnt der stabilisierte verjüngte Bereich 6, dessen Höhe h_s, im vorliegenden Fall zu 5% von d\ gewählt wird. Die Kreiskontur im verjüngten Bereich 6 mit der Höhe h„ verjüngt sich stärker als die wie oben anhand der F i g. 2 bis 5 beschrieben ermittelbare Grenzkontur des verjüngten Bereichs 6, die in Fi g. 8 angedeutet ist. Diese etwas stärkere Verjüngung beschleunigt den Schwaden im Austritt stärker als die Grenzkontur und

gewährleistet damit noch sicherere Stabilität, d. h. Vermeidung von Kaltlufteinbrüchen.

Um auch für die praktische Gestaltung gemäß den Fig. 6 bis 8 Tendenzen erkennen zu können, ist der Grenzwinkel a.(z_L) für abgewandelte Durchmesser d\ und Schwadengeschwindigkeiten w\ in der folgenden Tabelle berechnet. Dabei ist für das Dichteverhältnis

Pi

der Zahlenwert 0,08 eingesetzt.

Tabelle 2

Grenzwinkel α (zj bei kreisbogenförmig gestalteter

Innenkontur mit = 0,08

d](m)

W] (m/s)

4,0 5,0

6,0

40
50
60
70

17,1 19,0 20,5 21,7

Es finden sich die oben angegebenen Tendenzen bestätigt: Der Winkel x(z_c) nimmt mit steigendem Durchmesser d\ und mit abnehmender Geschwindigkeit IV]ZU.

Die aufgezeigten Tendenzen machen deutlich, daß bei im Vergleich zur Gesamthöhe H schlanken Kühltürmen mit hoher Geschwindigkeit des Schwadens in der Krone der Kronenbereich nur wenig, d. h. mit kleinem Winkel ix verjüngt zu werden braucht, während die Verjüngung bei im Vergleich zur Gesamthöhe Wdicken Kühltürmen

13,4	10,4
15,2	12,2
16,8	13,7
18,1	15,0

stärker auszuprägen ist, um ein stabiles Verhaken zu erzielen, d. h. Kaltlufteinbrüche im Betrieb zu verhindern.

Verhältnisse, wie sie bei üblichen Schornsteinen oder Kaminen herrschen (sehr schlanke Bauweise, hohe Austrittsgeschwindigkeiten) dürften eine Verjüngung des Kronenbereiches praktisch überflüssig machen bzw. die aus bautechnischen Gründen üblicherweise vorhandene geringfügige Verjüngung dazu genügen lassen, Kaltlufteinbrüche zu verhindern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlturm mit einem Mantel, der im Bereich der Krone nach innen verjüngt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen der Tangente an die Innenkontur und der Vertikalen in einem Bereich der Krone, dessen Höhe maximal 20% des Austrittsdurchmessers des Kühlturms beträgt, nicht kleiner bemessen ist als sich aus der folgenden Beziehung ergibt: