DE2830266C2

DE2830266C2 - Vorrichtung zur Verhinderung von Einbrüchen insbesondere kalter Luft in die im wesentlichen senkrecht nach oben abströmende Warmluftmasse von Kühltürmen

Info

Publication number: DE2830266C2
Application number: DE2830266A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl.-Ing. 4983 Kirchlengern Huchzermeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1978-07-10
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE2830266A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung von Einbrüchen insbesondere kalter Luft in die im wesentlichen senkrecht nach oben abströmende Warmluftmasse von Kühltürmen mit natürlichem Zug und/oder zwangsweiser Belüftung.

Beim Betrieb von Kühltürmen unterliegt die Auftriebsleistung unabhängig davon, ob es sich um natürliche oder zwangsweise Belüftung handelt, in erheblichem Maße Umgebungseinflüssen der freien Atmosphäre. Neben Einflüssen des Seitenwindes sowohl auf den Lufteintritt am Boden als auch auf den Austritt der Warmluftmasse aus der Mündung spielt die Schichtung der Umgebungsluft sowie die Ausbreitung der abströmenden Warmluftmasse eine wesentliche Rolle.

Um die für die Leistung der Kühltürme nachteiligen Umgebungseinflüsse d^r freien Atmosphäre herabzusetzen, sind verschiedene Vorschläge gemacht worden. Hierzu zählt einmal eine Verengung des Austrittsquerschnius, durch welche die Austrittsgeschwindigkeit der abströmenden Warmluftmasse vergrößert wird. Der Zweck dieser Vergrößerung der Austrittsgeschwindigkeit liegt einerseits in der Stabilisierung der aus der ti Kühlturmmündung austretenden Strömung und andererseits in einer Verlegung der Mischzone zwischen der abströmenden Warmluftmasse und der kalten Umgebungslufl in größere Höhen. Die Verengung des Austrittsquerschnitts wird deshalb insbesondere bei ruhender oder nur wenig bewegter Umgebungsluft wirksam. Für mittleren bis stärkeren Seitenwind wird deshalb zusätzlich vorgeschlagen, diesen Seitenwind im Btreich der aus dem Bauwerk abströmenden Warmluftmasse nach oben abzulenken, um einerseits seitliche Verlagerungen der abströmenden Warmluftmasse zu vermeiden und andererseits den nach oben abgelenkten Seitenwind zur Zugverstärkung heranzuziehen. In diesem Zusammenhang wurde vorgeschlagen, den die Querschnittsverminderung bewirkenden konischen Bereich am Kühlturmaustritt mit einer ringförmigen Windleitvorrichtung derart zu umgeben, daß sich ein düsenartiger Strömungsquerschnitt für den nach oben umgelenkten Seitenwind ergibt.

Diese aus der Literatur für Kühltürme seit langem bekannten und zumindest bei Rauchgaskaminen mit einem großen Höhen-Durchmesser-Verhältnis angewandten Maßnahmen lassen insgesamt unberücksichtigt, daß es sich sowohl beim Seitenwind als auch bei der aus dem Gebäude abströmenden Warmluftmasse um ebene Strömungen handelt, die sich leicht miteinander mischen. Aus diesem Grunde können die bekannten Vorschläge auch bei großem technischen Aufwand nur geringe Verbesserungen der Auftriebsleistung zur Folge haben.

Der Frfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verhinderung von Einbrüchen insbesondere kalter Luft in die im wesentlichen senkrecht nach oben abströmende Warmluftmasse von Kühltürmen mit natürlichem Zug und/oder zwangsweiser Belüftung zu schaffen, die mit geringem technischen und baulichen Aufwand die für die Auftriebsleistung des Kühlturms schädlichen Einflüsse der Umgebungsluft sowohl bei ruhender als auch bei leicht bis kräftig bewegter Luft erheblich vermindert und gleichzeitig eine Verbesserung der Auftriebsleistung erzielt, so daß bei der Erstellung neuer Kühltürme deren Höhe verringert und bei vorhandenen Kühltürmen mit gegebener Höhe deren Leistung auch bei extrem ungünstigen Witterungsverhältnisäen erheblich gesteigert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlturm oberhalb der Kühlturmeinbauten ein sich um die senkrechte Längsmittelachse des Kühlturms drehender, angetriebener Rotor angeordnet ist, wodurch die axial im Kühlturm verlaufende Vertikalströmung mit einer Potentialströmung (drehungsfreien Umlaufströmung) überlagert wird.

Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der axial im Bauwerk verlaufenden Vertikalströmung mit einer Potentialströmung, bei welcher das Produkt aus Umfangsgeschwindigkeit und Radius für jede Querschnittsebene konstant ist, ergibt sich physikalisch gesehen eine Wirbelsenke, die um einen festen Kern rotiert. Ein derartiger sogenannter Potentialwirbel besitzt eine große Stabilität gegen äußere Einflüsse und insbesondere die Eigenschaft, sich nicht mit einer ebenen Luftströmung zu vermischen, die seitlich auf den Potentialwirbel auftrifft.

Für diese größere Stabilität des Potentialwirbels und seine Eigenschaft, sich im Bereich des Kühlturmaustrittes nur in vernachlässigbar kleinem Umfang mit der Umgebungsluft zu vermischen, gibt es zwei Gründe, die sich beide aus dem Gesetz von Bernoulli ableiten lassen, wonach der Gesamtdruck gleich der Summe aus

statischem Druck und dynamischem Druck ist. Hieraus resultiert, daß im Gegensatz zu einer reinen Vertikalströmung, bei der das Druckprofil in Achsrichtung des Kühlturms über den Querschnitt annähernd konstant ist, beim Potentialwirbel ein Gefälle des statischen Druckes von außen nach innen besteht, da bei gleichem Gesamtdruck über den Querschnitt der dynamische Druckanteil im Kern des Wirbels sehr viel größer ist als außen. Durch dieses horizontale Druckprofil des statischen Druckanteils mit Höchstwerten am Rende des Potemialwirbels ergibt sich einerseits eine große Stabilität der drehungsfreien Umlaufströmung und andererseits ein Schutz des Wirbels gegen Auflösung und Vermischung mit der Umgebungsluft. Diese Effekte werden andererseits durch das horizontale Geschwindigkeitsfeld unterstützt. Während wegen der fehlenden Horizontalkomponente der Geschwindigkeit bei einer reinen Vertikalströmung der Seitenwind leicht in die aus dem Kühlturm austretende Warmluftmasse eindringen und diese zu der vom Wind abgewandten Seite abdrängen kann, wodurch auf der dem Wind zugewandten Seite ein Unterdruck mit zwangsläufigem Einströmen von Luft entsteht, wird dies beim Potentialwirbel durch die zum Wirbelkern hin größer werdende Horizontalkomponente der Umlaufströmung verhindert, die einen abstoßenden Effekt auf seitliche Anströmung durch Umgebungsluft ausübt und einer Vermischung der aus dem Gebäude austretenden Warmluftmasse mit der Umgebungsluft entgegenwirkt.

Eine gewisse an den Berührungsflächen zwischen dem Potentialwirbel und der Umgebungsluft stattfindende Vermischung ist unschädlich, weil die Umlaufströmung erhalten bleibt. Diese geringfügige Vermischung vergrößert lediglich den Durchmesser des Potemialwirbels, ohne die im Wirbel enthaltene Zirkulation zu verändern. Auch eine unter dem Einfluß von Seitenwind erfolgende leichte Abknickung des Potentialwirbels in Richtung der Resultierenden aus Umlaufgeschwindigkeit und Windrichtung ist ohne großen Einfluß auf die saugende Wirkung des Potentialwirbels, da diese nur vom Dichteunterschied zwischen der Warniluftmasse und der Umgebungsluft abhängt. Auch bei Seitenwind besitz! die Potentialströmung deshalb einen effektiven Auftrieb, welcher die gegenständliche Höhe des Kühlturms übersteigt, weil der Potentialwirbel ohne Vermischung mit der Umgebungsluft bis zu einem gewissen Abstand oberhalb der Ausströmöffnung des Kühlturms erhalten bleibt. Neben der stabilisierenden Wirkung des Potentialv/irbels, die Einbrüche der ruhenden oder seitlich anströmenden Umgebungsluft verhindert, hat die Überlagerung der Vertikalströmung durch eine Potentialströmung somit den Vorteil, daß bei vorhandenen Kühltürmen die Auftriebsleistung verbessert bzw. bei neu zu errichtenden Kühltürmen dieselbe Auftriebsleistung mit einer niedt igeren Kühlturmhöhe erzielt werden kann.

Aus der DE-PS 6 85 964 ist es zwar bekannt, mittels eines Ventilators eine Erhöhung der Zugwirkung eines Kaminkühlers zu erzielen. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Verstärkung der senkrecht nach oben verlaufenden Strömung und nicht um die Erzeugung einer die axial im Kühlturm verlaufenden Vertikalströmung überlagernden Potentialströmung. Auch die bei Rauchgaskaminen bekannten Maßnahmen zur Stabilisierung der Rauchgasströmung dienen nicht der Verhinderung von Kaltlufteinbrüchen, sondern der Zugverstärkung der Rauchgaskamine.

Der sich gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag

um die senkrechte Längsmittelathse des Kühlturms drehende Rotor hat im Verhältnis zum Durchmesser des Kühlturms einen geringen Durchmesser und eine kleine Antriebsleistung, da ausreichend Zeit zur Verfügung steht, die Potentialströmung über den gesamten Kühlturmdurchmesser zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Rotor einen zylindrischen Grundkörper mit auf dessen Oberfläche angeordneten Schaufeln. Diese Schaufeln können in axialer Richtung des Rotors entweder geradlinig oder gekrümmt verlaufen, wobei die Krümmung in axialer Richtung von der Unterkante zur Oberkante des Rotors zunehmen kann.

Bei einer anderen Ausbildung besitzt der Rotor einen ₎₅ zylindrischen Grundkörper, dessen Oberfläche mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Erhebungen und/oder Vertiefungen, beispielsweise in Form einer aufgebrachten Streckmetallauflage, versehen ist. Diese im Verhältnis zum Durchmesser des Rotors und insbesondere des Kühlturms flachen Erhebungen oder Vertiefungen reichen aus, um nach einer ausreichenden Anlaufzeit einen über die gesamte Querschnittsfläche des Kühlturms wirksamen Potentialwirbel zu erzeugen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind unterhalb und/oder innerhalb der Kühlturmeinbauten Leitvorrichtungen zum Umlenken der einströmenden Kühlluft in Umfangsrichtung angeordnet, um die Strömungsenergie der in radialer Richtung in den Kühlturm einströmenden Luft mindestens teilweise zur „, Erzeugung der Poientialströmung auszunutzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen _j5 Kühlturm, dessen Verlikalströmung mit einer Potentialströmung überlagert ist,

Fig. 2 einen Teilschnilt durch den Kühlturm gemäß F i g. 1 mit eingezeichneter Druckverteilung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühl-4D turms,

F i g. 4 eine Draufsicht auf drei Zellenkühltürme,

F i g. 5 einen senkrechten Schnitt gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

Fig.6 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eine? Rotors,

F i g. 7 eine Draufsicht auf den Rotor nach F i g. 6.

Fig.8 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Rotors und

F i g. 9 eine dritte Ausführungsmöglichkeit für den mit einem Mantel umgebenen Rotor.

In Fig. 1 ist schematisch anhand eines senkrechten Schnittes durch einen Kühlturm 1 die Überlagerung der Vertikalströmung V im Kühlturm 1 durch eine Potentialströmung P dargestellt. Bei dem Kühlturm 1 handelt es sich um einen Kühlturm mit natürlichem Zug, bei welchem oberhalb der Kühlturmeinbauten 2 ein Rotor 3 zur Erzeugung der drehungsfreien Umlaufströmung angeordnet ist. Die Kühlturmeinbauten 2 können entweder als Rieseleinbauten für einen unmittelbaren Wärmeaustausch zwischen dem herabrieselnden Wasser und der am Fuß des Kühlturms 1 eintretenden Zuluft Z oder als Wärmeaustauscher für einen mittelbaren Wärmeaustausch ausgebildet sein, bei denen das Kühlmedium im geschlossenen Kreislauf zur Erzielung ei eine, sogenannten Trockenkühlung umläuft.

Wie die Zeichnung gemäß F i g. 1 erkennen läßt, reichen geringe Abmessungen des Rotors 3 aus, um eine über die gesamte Querschnittsfläche des Kühlturms 1

reichende Potentialströmung P zu erzeugen. Diese der Vertikalströmung V überlagerte Potentialströmung P besitzt eine große Stabilität auch gegen Anströmung durch Seitenwind S, so daß selbst bei kräftigem Seitenwind 5 nur eine geringfügige seitliche Verlagerung des Potentialwirbels stattfindet und sich dieser Potentialwirbel erst in größeren Höhen oberhalb des Kühlturmes 1 auflöst.

In F i g. 2 ist die Druckverteilung in einem bestimmten Strömungsquerschnitt des Kühlturms 1 bei mit einer Potentialströmung P überlagerter Vertikalströmung V dargestellt. Die Darstellung zeigt, daß bei einem über die gesamte Strömungsfläche gleich großen Gesamtdruck p_eey der statische Druckanteil p_slJl von der Mitte zu den Rändern des Potentialwirbels hin zunimmt, weil der dynamische Druckanteil pj_yn, im Kern der Potentialströmung am größten ist. Dies ergibt sich aus der drehungsfreien Umlaufströmung, die der Bedingung unterliegt, daß das Produkt aus Umfangsgeschwindigkeit und Radius konstant ist.

Während in Fig. 1 ein Kühlturm 1 mit natürlichem Zug dargestellt ist, zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 einen Kühlturm 1, dem die Zuluft über Ventilatoren 4 zugeführt wird. Diese Ventilatoren üind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 unterhalb der Kühlturmeinbauten 2 gleichmäßig verteilt über den kreisförmigen Umfang des Kühlturmes 1 angeordnet.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 sind drei Kühltürme 1 unmittelbar in einem aneinandergebaut, und zwar zu sogenannten Zellenkühltürmen. Auch bei diesen Kühltürmen 1 wird die Zuluft durch Ventilatoren 4 zugeführt, die allerdings wegen des quadratischen Grundrisses der Kühltürme 1 nur auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen ist oberhalb der Kühlturmeinbauten 2 im Kühlturm 1 ein Rotor 3 zur Erzeugung der Potentialströmung Pangeordnet.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen schließlich verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für den Rotor 3.

Bei der ersten Ausführungsform nach den Fi g. 6 und 7 besteht der Rotor 3 aus einem zylindrischen Grundkörper 3a, auf welchem in Längsrichtung verlaufende Schaufeln ib angeordnet sind. Der Rotor 3 besitzt weiterhin eine Achse 3c, die auf der Längsmittelachse des Kühlturms 1 angeordnet ist. Der Antrieb des Rotors 3 erfolgt vorzugsweise durch einen auf der Zeichnung nicht dargestellten Elektromotor. Durch die Drehung des zylindrischen Grundkörpers 3a mit den Schaufeln 3b wird beginnend vom Kern her mindestens ein Teil der in axialer Richtung durch den Kühlturm 1 strömenden Warmluftmasse in Umfangsrichtung mitgenommen. Nach einer gewissen Zeit stellt sich eine drehungsfreie Umlaufströmung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Kühlturms 1 ein.

Bei der zweiten Ausführungsform des Rotors nach Fig. 8 besitzt der mit der Achse 3c versehene Grundkörper 3d eine Streckmetallauflage 3e, die auf der Oberfläche des Grundkörpers 3d gleichmäßig über den Umfang verteilte Erhebungen und Vertiefungen bildet. Diese verhältnismäßig flachen Erhebungen und Vertiefungen reichen aus. nach einer gewissen Anlaufzeit die gesamte Warmluftmasse in Umdrehung zu versetzen, um die gewünschte Potentialströmung zu erzeugen.

Während bei den beiden voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Rotoren 3 unmittelbar zur Erzeugung der Potentialströmung herangezogen werden, ist beim letzten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 9 der Grundkörper 3f des Rotors mit einer in axialer Richtung gekrümmten Schaufel 3g versehen, deren Krümmung vom Fuß zur Spitze des Grundkörpers 3/ zunimmt. Diese Schaufel 3^ ist von einem rohrförmigen Mantel 6 umgeben, so daß bei einem Antrieb des Grundkörpers 3/ eine rotierende Luftsäule aus der oberen öffnung des Mantels 6 austritt, die ihrerseits die umgebende Warmluftmasse in Rotation versetzt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 liegt somit ein mittelbarer Antrieb der Warmluftmacse durch den Rotor 3 vor.

Eine derartige rotierende Luftsäule zur Erzeugung der Potentialströmung kann auch durch Anblasen eines feststehenden Dralleinsatzes mit Druckluft erzeugt werden. In Übereinstimmung mit der in Fig.9 gezeichneten Ausführungsform wäre es lediglich erforderlich, den dortigen Grundkörper 3/"nicht anzutreiben, sondern feststehend auszuführen. Durch Einblasen von Druckluft von unten in den Mantel 6 wird diese infolge der zunehmenden Krümmung der als Leitspirale dienenden Schaufeln 3g in zunehmende Rotation versetzt und tritt als rotierende Luftsäule oben aus dem Mantel 6 aus. Sie dient somit wie ein Rotor als Initiator für die Potentialströmung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verhinderung von Einbrüchen insbesondere kalter Luft in die im wesentlichen senkrecht nach oben abströmende Warmlufimasse von Kühltürmen mit natürlichem Zug und/oder zwangsweiser Belüftung, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlturm (1) oberhalb der Kühlturmeinbauten (2) ein sich um die senkrechte Längsmittelachse des Kühlturms (1) drehender, ,₀ angetriebener Rotor (3) angeordnet ist, wodurch die axial im Kühlturm verlaufende Vertikalströmung mit eimer Potentialströmung überlagert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) einen zylindrischen |₅ Grundkörper (3a, 3f) mit auf dessen Oberfläche angeordneten Schaufeln (3b, 3g/besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3b) in axialer Richtung des Rotors (3) geradlinig verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3g) in axialer Richtung des Rotors (3) gekrümmt verlaufen, wobei die Krümmung der Schaufeln (3g) in axialer Richtung von der Unterkante zur Oberkante des Rotors (3) zunimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) einen zylindrischen Grundkörper (3d) besitzt, dessen Oberfläche mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Erhebungen und/oder Vertiefungen, beispielsweise in Form einer aufgebrachten Streckmetallauflage (3e), versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb und/oder innerhalb der _J5 Kühlturmeinbauten (2) Leitvorrichtungen zum Umlenken der einströmenden Kühlluft in Umfangsrichtung angeordnet sind.