DE2925461C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung am Austritt eines Kühlturms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Randstirömung am Austritt eines Kühlturms mittels eines im Austrittsbereich angeordneten ringförmigen Einbauelements sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei bestimmten Witterungsverhältnissen und Betriebsbedingungen kann es bei Naturzugkühltürmen zu instabilen Strömungsverhältnissen am Austritt der Kühlluft aus dem Kühlturm kommen, die zu Kaltlufteinbrüchen in dem oberen Teil des Kühlturms und damit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen.

to Aus der Literatur sind seit längerer Zeit Vorschläge bekannt, diese Nachteile zu vermeiden. Einer dieser Vorschläge (DE-AS 24 14 172) sieht eine Verjüngung des Kühlturmmantels vor, um durch die mit dieser Querschnittsverminderung verbundene Beschleunigung der erwärmten Kühlluft die Kaltluft trotz ihres höheren spezifischen Gewichts aus dem Kühlturm fernzuhalten. Andere Vorschläge betreffen die Ablenkung des Seitenwindes, der gleichzeitig zur Erhöhung der Zugv/irkung herangezogen wird, sowie die Anbringung von seitlichen öffnungen im Mündungsbereich des Kühlturms, die in Abhängigkeit von der Windrichtung geöffnet oder geschlossen werden sollen. Diese Vorschläge haben bisher kaum Eingang in die Praxis gefunden.

Aus der DE-AS 24 36 063 war weiterhin ein Kühlturm mit einem im Austrittsbereich angeordneten ringförmigen Einbauelement bekannt, welches von der Kühlturmschale ausgehend nach innen ragt und den Ausströmquerschnitt verkleinert bzw. einengt, und zwar maximal um 30%. Der ringartige Einbau ist entweder am oberen Rand des Kühlturms befestigt oder einstückig mit ihm ausgeführt. Durch diese Ausführung bewirkt das ringförmige Einbauelement ebenso wie der Vorschlag nach der DE-AS 24 14 172 eine Querschnittsverminderung des Kühlturms im Austrittsbereich, welche eine Beschleunigung der erwärmten Kühlluft hervorruft, um Kaltluft aus dem Kühlturm fernzuhalten. Durch diese Beschleunigung entstehen jedoch Druckverluste, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Kühlturms auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei den in der Praxis verwendeten Kühlturmkonstruktionen mit zylindrischer oder doppelt nagetiv gekrümmter Kontur des Kühlturmmantels die Gefahr von Wirkungsgradverschlechterungen infolge von Kaltlufteinbrüchen zu vermeiden, ohne daß hierfür aufwendige und nur für neu zu errichtende Kühltürme anwendbare Konstruktionen erforderlich sind und ohne durch Beschleunigungseffekte nennenswerte Druckverluste zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch das allseitig von Kühlluft umströmte Einbauelement Wirbelfelder erzeugt werden, deren quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Strömungskomponenten eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand bewirken.

Durch die quer zur Hauptströmungsrichtung der Kühlluft verlaufenden Komponenten der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Wirbelfelder wird die bei den in der Praxis bekannten Kühlturmkonstruktionen energiearme Grenzschichtströmung an der Kühlturmwandung energetisch derart angereichert, daß sie ohne Strömungsablösung gegen einen Druckanstieg strömen kann. Hierdurch entfallen Ablösungen der Grenzschichtströmung von der Kühlturmwandung, die Voraussetzung für einen Kaltlufteinbruch sind. Das im Austrittsbereich angeordnete, ringförmige und allseitig von Kühlluft umströmte Einbauelement verhindert

somit in zuverlässiger Weise durch die von ihm erzeugten Wirbelfelder eine Verschlechterung des Wirkungsgrades bei geringem konstruktiven Aufwand und unter Vermeidung von nennenswerten Zusatzdruckverlusten, die bei den bekannten Konstruktionen durch auftretende Beschleunigungen verursacht wer-' den.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschreitet somit einen anderen Weg als die bekannten Vorschläge, die ihrerseits entweder durch Querschnitts verringerung oder durch Umlenkung des Seitenwindes eine Beschleunigung der Strömung erzeugen, welche durch den hiermit erzeugten Druckabfall in Strömungsrichtung die schwereren Kaltluftteile aus dem Kühlturm fernhält Die Erfindung bewirkt stattdessen eine gezielte Energieanreicherung der Grenzschichtströmung, die dadurch nicht von der Kühlturmwand ablösen kann und infolge ihres erhöhten Impulsinhaltes die Kaltluft aus dem Kühlturm fernhält

Das im Austrittsbereich des Kühlturms angeordnete ringförmige Einbauelement kann gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus mehreren einzelnen, ringförmig angeordneten Einbaukörpern bestehen, die jeweils durch eine Wirbeleinbaufläche gebildet sind, deren Fläche unter einem spitzen Winkel gegenüber der Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt ist und deren gegen die Strömung gerichtete Vorderkanten sowohl eine in Strömungsrichtung der Kühlluft ais auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweisen.

An den Vorderkanten dieser erfindungsgemäOen Wirbeleinbauflächen entsteht jeweils ein Wirbelfeld, das sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreitet und jeweils durch seine Rotation eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung bildet, die durch den damit verbundenen Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung zu einer energetischen Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand führt. Da der Strömungsquerschnitt der Wirbeleinbauflächen in Strömungsrichtung nur durch die vom Anstellwinkel abhängige Projektion der Wirbeleinbaufläche gebildet ist, erzeugen die Wirbeleinbauflächen einen geringen Strömungswiderstand, so daß die energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung nur mit geringen Strömungsverlusten verbunden ist. Es ergibt sich somit insgesamt durch die erfindungsgemäßen Wirbeleinbauflächen eine mit geringen Verlusten verbundene Anreicherung der Energie in der Grenzschichtströmung, die Kaltlufteinbrüche verhindert.

Die erfindungsgemäßen Wirbeleinbauflächen vermeiden durch Beschleunigung verursachte nennenswerte Zusatzdruckverluste und erfordern nur einen geringen konstruktiven Aufwand. Jede Wirbeleinbaufläche kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung einen symmetrischen Kantenverlauf aufweisen.

Die Wirbeleinbauflächen können entweder jeweils mit tangentialer oder mit radialer Ausrichtung im Kühlturm angeordnet sein, da die erfindungsgemäß zur energetischen Anreicherung der Grenzschichtströmung erzeugten Wirbelfelder durch die Vorderkanten der Wirbeleinbauflächen erzeugt werden, so daß diese Vorderkanten sowohl in tagentialer als auch in radialer Ausrichtung angeordnet sein können, weil in beiden Fällen quer zur Hauptströmungsrichtung der Kühlluft verlaufende Strömungskomponenten auftreten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede Wirbeleinbaufläche deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisender Spitze ausgebildet Der geradlinige Kantenverlauf der Vorderkanten und der rechtwinklig zur Längserstreckung der deltaförmigen Wirbeleinbaufläche verlaufende Abschluß ergeben eine besonders intensive Ausbildung der WirbelfeMer mit sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreitenden und gegenläufig rotierenden Wirbeln.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das im Austrittsbereich angeordnete ringförmige Einbauelement als allseitig umströmter Ring ausgebildet sein, der zum Kühlturmrand konzentrisch und mit seitlichem Abstand zur Kühlturmwand unterhalb des Kühlturmrandes angeordnet ist Der Ring kann hierbei einen beliebigen Querschnitt besitzen, obwohl gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besonders günstige Verhältnisse zur Erzeugung der Wirbelfelder mit einem kreisförmigen Querschnitt des Ringes erzielt werden.

Durch den quer zur Strömungsrichtung des Hauptluftstromes angeströmten Ring ergibt sich eine Ablösung der Strömung zu beiden Seiten des Ringes, die sich zu Wirbeln aufrollt Diese Wirbelablösungen können in Abhängigkeit von der Reynoldszahl und der Querschnittsform des Ringes mehr oder weniger alternierend oder unregelmäßig erfolgen. In jedem Fall entsteht ein Strömungsnachlauf, dessen Wirbel mit ihren Achsen parallel bzw. konzentrisch zum ringförmigen Einbauelement verlaufen und der starke Strömungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist Diese Querkomponenten führen zu der erfindungsgemäßen Anreicherung der Energie in der Randströmung. Das ringförmige Einbauelement kann hierbei in der Draufsicht als Kreisring oder als Polygon ausgebildet sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ring mittels radial zur Kühlturmwand verlaufender Streben befestigt. Der Ring kann eri'indungsgemäß auch mittels Seilen aufgehängt werden. Sofern der Kühlturm einen zentralen Mast besitzt, bietet es sich an, den Ring mittels der Seile an diesem zentralen Mast aufzuhängen.

Sowohl ein als Ring ausgebildetes Einbauelement als auch die ringförmig angeordneten einzelnen Wirbeleinbauflächen können noch nachträglich in vorhandene Kühltürme eingebaut werden, so daß sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur neu zu errichtende, sondern auch bereits vorhandene Kühltürme für das erfindungsgemäße Verfahren umrüsten lassen.

Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Mündungsbereiches eines Naturzugkühlturms mit ir tangentialer Ausrichtung angeordneten Wirbeleinbauflächen,

Fig.2 einen radialen Schnitt durch den Kühlturm nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 3 eine Ansicht zu F i g. 2,

F i g. 4 eine der F i g. 1 entsprechende perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform mit in radialer Richtung ausgerichteten Wirbeleinbauflächen,

F i g. 5 einen radialen Schnitt durch den Mündungsbereich des Kühlturms nach F i g. 4,

F i g. 6 eine Seitenansicht zu F i g. 5,

F1 g. 7 eine perspektivische Ansicht des Mündungsbereichs eines Naturzugkühlturms mit einem ringförmig ausgebildeten Strömungskörper,

F i g. 8 einen im vergrößerten Maßstab gezeichneten

Radialschnitt durch den Mündungsbereich des Kühlturms nach F i g. 7,

Fig.9 eine Draufsicht auf einen ringförmigen Strömungskörper, der abweichend zum Strömungskorper nach den F i g. 7 und 8 nicht als Kreisring, sondern als Polygon ausgebildet ist,

F i g. 10 bis 13 verschiedene Querschnitte durch einen gemäß F i g. 7 einzusetzenden ringförmigen Strömungskörper.

Das erste Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 3 zeigt den Mündungsbereich eines Kühlturmmantels 1, der sich in Strömungsrichtung der Kühlluft erweitert, wie insbesondere aus F i g. 2 hervorgeht. Im Austrittsbereich des Kühlturmes sind unterhalb des Randes 2 des Kühlturmmantels 1 Einbaukörper ringförmig angeordnet, die bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 3 durch eine Mehrzahl von Wirbeleinbauflächen 3 gebildet werden. Diese Wirbeleinbauflächen 3, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisender Spitze ausgebildet sind und damit einen symmetrischen Kantenverlauf aufweisen, besitzen an ihren Vorderkanten sowohl eine in Strömungsrichtung der Kühlluft als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente, weil ihre Fläche unter einem spitzen Winkel gegenüber der Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt ist.

Aufgrund dieser insbesondere in den F i g. 2 und 3 erkennbaren Ausbildung und Anordnung der Wirbeleinbauflächen 3 entsteht an den Seitenkanten der Wirbeleinbauflächen 3 jeweils ein Wirbelfeld, das sich in Richtung der Kühlluftströmung ausbreitet und durch seine Rotation Strömungskomponenten quer zu der in den F i g. 2 und 3 durch senkrecht nach oben gerichtete Pfeile angedeuteten Hauptströmungsrichtung bildet. Der durch die Querkomponenten erzeugte Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung führt zu einer energetischen Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Innenwand des Kühlturmmantels 1, so daß diese ohne Strömungsablösung gegen einen Druckanstieg strömen kann. Es entfallen somit Ablösungen der Grenzschichtströmung von der Innenwand des Kühlturmmantels 1, welche Voraussetzungen für einen Kaltlufteinbruch sind.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach den Fig.4 bis 6 sind die wiederum deltaförmig ausgebildeten Wirbeleinbauflächen 4 in radialer Richtung zur Kühlturmachse ausgerichtet Da die Vorderkanten dieser Wirbeleinbauflächen 4 wiederum sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreitende Wirbelfelder zur Folge haben, deren Rotation Strömungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung ergibt, wird auch bei dieser Anordnung der Wirbeleinbauflächen 4 die gewünschte energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand erzielt. Selbstverständlich können die Wirbeleinbauflächen 3 oder 4 auch eine vom Delta abweichende Form besitzen, indem sie beispielsweise kreisförmig, elliptisch, parabelförmig oder rautenförmig ausgebildet werden. Außerdem ist es möglich, die Wirbeleinbauflächen 3 bzw. 4 im Querschnitt zu profilieren oder V-förmig auszubilden sowie

ίο mit einem abgewinkelten Rand zu versehen, so daß »ich die erfindungsgemäßen Wirbeleinbauflächen sowohl als Hohlkörper aus zwei Halbschalen bilden als auch bei einer flächigen Ausbildung trotz geringer Materialstärke durch entsprechende Querschnittsformgebung stabilisieren lassen.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß den Fig.7 und 8 ist anstelle einer Mehrzahl ringförmig angeordneter Einbaukörper ein ringförmiges Einbauelement in Form eines zum Kühlturmrand 2 konzentrischen Ringes 5 angeordnet, der mit seitlichem Abstand zum Kühlturmmantel 1 unterhalb des Kühlturmrandes 2 liegt. Dieser Ring 5 hat beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 7 und 8 die Form eines Kreisringes mit ebenfalls kreisringförmigem Querschnitt. Er kann gemäß Fig.9 auch als Polygon 6 ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, den Querschnitt des Ringes 5 abweichend von der Darstellung nach F i g. 8 auszuführen. Fig. 10 zeigt einen im Querschnitt quadratischen Ring 7, der ebenso wie der Ring in Fig.8 als Hohlkörper ausgebildet ist Auch der Ring 8 gemäß F i g. 11 ist als Hohlkörper mit dreieckförmigem Querschnitt ausgeführt. Die F i g. 12 und 13 zeigen Querschnitte von Ringen 9 und 10, wobei der Ring 9 ein auf dem Kopf stehendes T-Profil und der Ring 10 ein ebenfalls auf dem Kopf stehendes V-Profil aufweist.

Gemäß der Darstellung in F i g. 8 bewirkt auch das als Ring 5 ausgebildete Einbauelement das Entstehen von Wirbelfeldern mit starken quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Strömungskomponenten. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 7 und 8 ergibt sich eine Ablösung der Strömung zu beiden Seiten des Ringes 5, die sich zu Wirbeln aufrollt Diese Wirbelablösungen ergeben einen Strömungsnachlauf, dessen Einzelwirbel mit ihren Achsen parallel bzw. konzentrisch zu der Achse bzw. der Krümmung des Ringes 5 liegen. Die in den Wirbeln vorhandenen Querkomponenten ergeben eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Innenwand des Kühlturmmantels 1, wie sich deutlich aus dem Vergleich der in Fig.8 stromaufwärts und stromabwärts zum Ring 5 eingetragenen Strömungsprofile ergibt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Verfahren zur Stabilisierung der Randströmung am Austritt eines Kühlturms mittels eines im Austrittsbereich angeordneten ringförmigen Einbauelements, dadurch gekennzeichnet, daß durch das allseitig von Kühlluft umströmte Einbauelement Wirbelfelder erzeugt werden, deren quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Strömungskomponenten eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand bewirken.

   Z Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem im Austrittsbereich angeordneten ringförmigen Einbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbauelemeni aus mehreren einzelnen, ringförmig angeordneten Einbaukörpern besteht, die jeweils durch eine Wirbeleinbaufläche (3, 4) gebildet sind, deren Fläche unter einem spitzen Winkel gegenüber der Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt ist und deren gegen die Strömung gerichtete Vorderkanten sowohl eine in Strömungsrichtung der Kühlluft als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweisen.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wirbeleinbaufläche (3, 4) einen symmetrischen Kantenverlauf aufweist

   4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbauflächen (3) jeweils mit tangentialer Ausrichtung im Kühlturm angeordnet sind.

   5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbauflächen (4) jeweils mit radialer Ausrichtung im Kühlturm angeordnet sind.

   6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wirbeleinbaufläche (3, 4) deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisender Spitze ausgebildet ist.

   7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem im Austrittsbereich angeordneten ringförmigen Einbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß als Einbauelement ein zum Kühlturmrand (2) konzentrischer, allseitig umströmter Ring (5) mit seitlichem Abstand zur Kühlturmwand unterhalb des Kühlturmrandes (2) angeordnet ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

   9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) mittels radial zur Kühlturmwand verlaufender Streben (11) befestigt ist.

   10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) mittels Seilen aufgehängt ist.

   II. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) mittels der Seile an einem zentralen Mast des Kühlturms aufgehängt ist.