DE29805111U1 - Dry cooling tower for the hybrid liquefaction of refrigerants - Google Patents
Dry cooling tower for the hybrid liquefaction of refrigerantsInfo
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Abstract
Description
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KERN, BREHM & PARTNER GbRKERN, BREHM & PARTNERS GbR
Gü-9287/GM 20. März 1998 ke-pw Hans Güntner GmbH Gü-9287/GM 20 March 1998 ke-pw Hans Güntner GmbH
Industriestr. 14 82256 FürstenfeldbruckIndustriestr. 14 82256 Fürstenfeldbruck
Die Erfindung betrifft einen Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser.The invention relates to a dry cooling tower for the hybrid liquefaction of refrigerants, with a water-wettable, air-side heat transfer surface for liquefying the refrigerant by means of ambient air sucked in by means of at least one fan as a coolant and evaporation of water circulated.
Es sind hybride Trockenluftkühler bekannt (EP 428 647 Bl), bei denen das zu kühlende Medium, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, des primären Kühlkreislaufes einen Lamellenwärmeaustauscher durchströmt und über die Kühllamellen an den Luftstrom die abzuführende Wärme abgibt. Ventilatoren saugen den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch und haben immer dieselbe Drehzahl. Das Benetzungswasser wird aus einer im Kühler integrierten Sammelschale in offene Kanäle über zwei V-förmig angeordnete Wärmeaustauscherelemente gepumpt, wo es unbeeinflusst vom Luftstrom auf die luftseitige Wärmeübertragungsfläehe aufgegeben wird. Unmittelbar unter den Wärmeaustauscherelementen tropft das überschüssige Wasser in die Sammelschale zurück.Hybrid dry air coolers are known (EP 428 647 Bl) in which the medium to be cooled, for example water or a water-glycol mixture, of the primary cooling circuit flows through a finned heat exchanger and transfers the heat to be dissipated to the air flow via the cooling fins. Fans suck the air flow through the heat exchanger and always have the same speed. The wetting water is pumped from a collecting tray integrated in the cooler into open channels via two V-shaped heat exchanger elements, where it is applied to the air-side heat transfer surface without being influenced by the air flow. The excess water drips back into the collecting tray directly under the heat exchanger elements.
Derartige Trockenkühltürme werden normalerweise auf eine maximal zulässige Luftbelastung ausgelegt, die dadurch gegeben ist, daß bei der Benetzung des Wärmeaustauschers kein Tropfenflug entsteht. Der für 100 %ige Kühllast berechnete Umschaltpunkt von Trockenbetrieb auf Naßbetrieb, also Benetzung, verschiebt sich bei der üblichen Teillast im mittleren Temperaturbereich zu höheren Lufttemperaturen, wodurch der hybride Trockenkühlturm über mehr als die Hälfte seiner jährlichen Betriebszeit trocken, also ohne Benetzung, betrieben werden kann und somit kein Wasser benötigt.Such dry cooling towers are normally designed for a maximum permissible air load, which is ensured by the fact that no droplets are created when the heat exchanger is wetted. The switchover point from dry operation to wet operation, i.e. wetting, calculated for 100% cooling load shifts to higher air temperatures at the usual partial load in the medium temperature range, which means that the hybrid dry cooling tower can be operated dry, i.e. without wetting, for more than half of its annual operating time and therefore does not require any water.
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Der Begriff "hybrid" steht also hier für die Zwitterbetriebsweise des Trockenturms, nämlich einmal ohne Benetzung des Wärmeaustauschers mit Wasser und zum anderen mit Benetzung.The term "hybrid" here refers to the hybrid mode of operation of the drying tower, namely on the one hand without wetting the heat exchanger with water and on the other hand with wetting.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Trockenkühlturm so auszubilden, daß er sich für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln eignet.The object of the invention is to design the dry cooling tower in such a way that it is suitable for the hybrid liquefaction of refrigerants.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Trockenkühlturm einen Wärmeaustauscher aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer und einen Verflüssiger aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer als auch der Verflüssiger von Kühlluft durchströmt werden.This object is achieved according to the invention in that the dry cooling tower has a heat exchanger which is divided into a desuperheater and a condenser for desuperheating or pre-cooling the hot gas of the coolant by dry ambient air, the latter being wettable with water and being connected downstream of the desuperheater for the purpose of liquefying and subcooling the hot gas, and cooling air flows through both the desuperheater and the condenser.
Auf diese Weise ist eine Direktverflüssigung von Kältemitteln nach dem gleichen Prinzip wie die hybride Trockenkühlung möglich, nur mit dem Unterschied, daß die Erhitzung des Heißgases in einem kleinen Kühlerteil mittels trockener Umgebungsluft erfolgt. Je tiefer dabei die Kühlmedium- oder Verflüssigungstemperatur im Auslegungspunkt des Trockenkühlturms angesetzt wird, desto größer wird die erforderliche Wärmeübertragungsfläche. Mit größeren Wärmeübertragungsflächen läßt sich die Wärme im tieferen Lufttemperaturbereich ohne Benetzung des Wärmeaustauschers an die Umgebungsluft abführen. Obgleich durch die zusätzlichen Einrichtungen, die für die hybride Verflüssigung im Trockenkühlturm vorgesehen werden müssen, ein höherer Kostenaufwand getrieben wird, werden diese Zusatzkosten durch niedrigere Betriebskosten kompensiert. Einerseits werden tiefe Kühlmedium-/Verflüssigungstemperaturen angestrebt, um die Verdichterleistung der Kältemaschine klein zu halten, andererseits wird auch eine erhebliche Menge an Kühlwasser eingespart, eine Tatsache, die bei steigenden Wasserpreisen bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ins Gewicht fällt.In this way, direct liquefaction of refrigerants is possible using the same principle as hybrid dry cooling, with the only difference being that the hot gas is heated in a small cooler section using dry ambient air. The lower the cooling medium or condensation temperature is set at the design point of the dry cooling tower, the larger the required heat transfer surface. With larger heat transfer surfaces, the heat in the lower air temperature range can be dissipated to the ambient air without wetting the heat exchanger. Although the additional equipment that must be provided for hybrid liquefaction in the dry cooling tower results in higher costs, these additional costs are compensated for by lower operating costs. On the one hand, low cooling medium/condensing temperatures are aimed for in order to keep the compressor output of the refrigeration machine low, on the other hand, a considerable amount of cooling water is saved, a fact that is important in economic considerations given rising water prices.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
So können zur Einsparung von Energie drehzahlveränderliche Ventilatoren verwendet werden, eine Tatsache, die für die Fälle von wesentlicher Bedeutung ist, in denen der Kühlturm/Verflüssiger unterhalb des Auslegungspunktes und im Teillastbereich arbeitet, weil dann der Stromverbrauch und damit die Leistungsaufnahme der Ventilatoren erheblich geringer ist. Mit einer Drehzahlregelung wird aber auch Wasser eingespart, da sich mit abnehmender Luftbelastung der Anteil der konvektiven Wärmeabgabe erhöht. Sobald sich nämlich die Luftbelastung des Kühlturms verringert, hat das Benetzungswasser die Tendenz, vermehrt an dem kälteren Wärmeaustauscherteil herunterzurieseln. Die in dem wärmeren Wärmeaustauscherteil befindlicheVariable speed fans can be used to save energy, a fact that is of key importance in cases where the cooling tower/condenser is operating below the design point and in the partial load range, because then the electricity consumption and thus the power consumption of the fans is considerably lower. Speed control also saves water, because as the air load decreases, the proportion of convective heat emission increases. As soon as the air load of the cooling tower decreases, the wetting water tends to trickle down the colder part of the heat exchanger. The water in the warmer part of the heat exchanger
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Lamellenfläche bleibt trocken und überträgt sensible Wärme an die vorgekühlte Luft. Durch die verkleinerte Verdunstungsoberfläche wird weniger latente Wärme abgeführt und der Wasserverbrauch geht erheblich zurück.The slat surface remains dry and transfers sensible heat to the pre-cooled air. Due to the smaller evaporation surface, less latent heat is dissipated and water consumption is significantly reduced.
Wenn der Enthitzer und der Verflüssiger oberhalb des Verflüssigers so zueinander versetzt werden, daß die untere Stirnseite des Enthitzers nur einen Teil der oberen Stirnseite des Verflüssigers bedeckt, läßt sich im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite eine Vorrichtung zur Aufgabe des Wasser vorsehen, mit dem der Verflüssiger benetzt wird.If the desuperheater and the condenser are offset relative to one another above the condenser so that the lower face of the desuperheater covers only part of the upper face of the condenser, a device for feeding the water with which the condenser is wetted can be provided in the area of the remaining part of the upper face.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained in more detail below using the exemplary embodiment shown in the drawing. The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der einen Hälfte des Trockenkühlturms undFig. 1 is a schematic side view of one half of the dry cooling tower and
Fig. 2 eine im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerte schematische Seitenansicht des WärmeausFig. 2 is a schematic side view of the heat output, enlarged compared to Fig. 1.
tauschers des Trockenkühlturms, bestehend aus einem hybriden Verflüssiger und einem separaten, trockenen Enthitzer für das Heißgas oberhalb des Verflüssigers.exchanger of the dry cooling tower, consisting of a hybrid condenser and a separate, dry desuperheater for the hot gas above the condenser.
Von dem in Fig. 1 dargestellten Trockenkühlturm 1, der herkömmlicher Bauart entspricht, ist nur die eine Hälfte gezeigt, die sich auf der rechten Seite seiner Längsachse 6 befindet, die die Symmetrieachse bildet, so daß die linke Hälfte im wesentlichen gleichermaßen ausgebildet ist.Of the dry cooling tower 1 shown in Fig. 1, which corresponds to a conventional design, only one half is shown, which is located on the right side of its longitudinal axis 6, which forms the axis of symmetry, so that the left half is essentially of the same design.
Der Kühlturmkopf 13 ist mit einem Ventilator 11 ausgestattet, der von einem Motor 14 angetrieben wird, dessen Drehzahl regulierbar ist und der in Richtung der Pfeile A Kühlluft in den Turm einsaugt, die diesen in Richtung des Pfeils B am Turmkopf wieder verläßt. Im Trockenkühlturm befindet sich ein Wärmeaustauscher 2, der zur Längsachse 6 geneigt ist, so daß er mit seinem Gegenüber jenseits dieser Achse eine V-Anordnung bildet, welche sich zum Kühlturmkopf 13 hin erweitert. Der Wärmeaustauscher 2 besteht aus einem Enthitzer 3 und einem Verflüssiger 4, der unterhalb des Enthitzers angeordnet ist und damit vom Kühlturmkopf weiter entfernt liegt als der Enthitzer. Der Enthitzer dient zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels, das am Heißgaseintritt 15 zugeführt wird.The cooling tower head 13 is equipped with a fan 11, which is driven by a motor 14, whose speed is adjustable and which sucks cooling air into the tower in the direction of arrow A, which leaves the tower again in the direction of arrow B at the tower head. In the dry cooling tower there is a heat exchanger 2, which is inclined to the longitudinal axis 6, so that it forms a V-arrangement with its counterpart beyond this axis, which widens towards the cooling tower head 13. The heat exchanger 2 consists of a desuperheater 3 and a condenser 4, which is arranged below the desuperheater and is therefore further away from the cooling tower head than the desuperheater. The desuperheater is used to desuperheat or pre-cool the hot gas of the coolant, which is fed in at the hot gas inlet 15.
Der Enthitzer 3 ist zweckmäßigerweise ebenso wie der sich an ihn anschließende Verflüssiger 4 ein Lamellenwärmeaustauscher. Der Verflüssiger ist mit Wasser benetzbar, das mit Hilfe einer Vorrichtung 9 an seiner oberen Stirnseite 8 aufgegeben wird und zusammen mit der Kühlluft zur Verflüssigung und Unterkühlung des gasförmigen Kältemittels, beispielsweise NH3, dient.The desuperheater 3 is expediently a plate heat exchanger, just like the condenser 4 that is connected to it. The condenser can be wetted with water, which is added to its upper end face 8 using a device 9 and, together with the cooling air, serves to liquefy and supercool the gaseous coolant, for example NH3.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind der Enthitzer 3 und der Verflüssiger 4 so zueinander versetzt angeordnet, daß die untere Stirnseite 7 des Enthitzers 3 nur einen Teil der oberen Stirnseite 8 des Verflüssigers 4 bedeckt, so daß im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite 8 über eine Vorrichtung 9 Wasser dem Verflüssiger aufgegeben werden kann, um seine Wärmeaustauschoberfläche zu benetzen. Die das Kältemittel führende Rohrschlange 12 des Enthitzers 3 geht direkt in die das Kältemittel des Verflüssigers 4 führende Rohrschlange 10 über.As can be seen from Fig. 2, the desuperheater 3 and the condenser 4 are arranged offset from one another in such a way that the lower end face 7 of the desuperheater 3 only covers part of the upper end face 8 of the condenser 4, so that in the area of the remaining part of the upper end face 8, water can be added to the condenser via a device 9 in order to wet its heat exchange surface. The pipe coil 12 of the desuperheater 3 carrying the coolant goes directly into the pipe coil 10 carrying the coolant of the condenser 4.
Das mit Hilfe der Aufgabevorrichtung 9 auf die Lamellen des Verflüssigers aufgebracht Benetzungswasser wird aus einer Wanne 21 am Boden des Trockenkühlturms mit Hilfe einer Pumpe 19 über eine Steigleitung 16 zugeführt und nach dem Ablaufen aus dem Verflüssiger in der genannten Wanne wieder aufgefangen. Ein Frischwasseranschluß 17 dient dazu, das verdunstete Wasser zu ergänzen, während der Wasserstand in der Wanne 21 mit Hilfe einer Niveausonde 18 auf einer gewünschten Höhe gehalten wird. Diese Sonde beeinflußt die Frischwasserzuführ 17. Die Niveausonde dient außerdem dazu, die Pumpe 19 vor Trockenlauf zu schützen.The wetting water applied to the fins of the condenser using the feed device 9 is fed from a tank 21 at the bottom of the dry cooling tower using a pump 19 via a riser pipe 16 and is collected again in the tank after draining from the condenser. A fresh water connection 17 is used to replenish the evaporated water, while the water level in the tank 21 is kept at a desired height using a level probe 18. This probe influences the fresh water supply 17. The level probe also serves to protect the pump 19 from running dry.
Da bei Benetzung des Verflüssigers durch Verdunstung von reinem Wasser der Salzgehalt und die Konzentration der Härtebildner im umlaufenden Benetzungswasser steigen, wird die Wasserqualität über eine nicht dargestellte Meßvorrichtung dadurch konstant gehalten, daß von Zeit zu Zeit mit Hilfe der Abschlämmungseinrichtung 20 "aufkonzentriertes" Benetzungswasser abgelassen wird, um mit Hilfe von bei 17 zufließendem Frischwasser die verlangte Qualität des Benetzungswassers wieder herzustellen.Since the salt content and the concentration of hardness-forming substances in the circulating wetting water increase when the condenser is wetted by evaporation of pure water, the water quality is kept constant by means of a measuring device (not shown) by draining "concentrated" wetting water from time to time using the blow-down device 20 in order to restore the required quality of the wetting water with the help of fresh water flowing in at 17.
Die hybride Verflüssigung des Kältemittels, die mit Hilfe des oben beschriebenen Wärmeaustauschers 2 erreicht wird, hat den Vorteil, daß das heiße Kältemittelgas, das beispielsweise mit einer Temperatur von 130 0C bei 15 in den Enthitzer 3 eintritt, zunächst nur mit Kühlluft so weit abgekühlt wird, beispielsweise auf 40 0C, daß dann eine Verflüssigung im Verflüssiger 4 mit Hilfe von Kühlluft und Benetzungswasser erfolgen kann, ohne daß letzteres zu stark verdunstet. Das verflüssigte Kühlmittel tritt dann bei 23 aus dem Lamellenwärmeaustauscher 4 beispielsweise mit einer Temperatur von 38 0C aus.The hybrid liquefaction of the coolant, which is achieved with the aid of the heat exchanger 2 described above, has the advantage that the hot coolant gas, which enters the desuperheater 3 at 15 with a temperature of 130 0 C, for example, is initially cooled only with cooling air to such an extent, for example to 40 0 C, that liquefaction can then take place in the condenser 4 with the aid of cooling air and wetting water without the latter evaporating too much. The liquefied coolant then exits the plate heat exchanger 4 at 23 with a temperature of 38 0 C, for example.
Für die Betriebsphase des Trockenkühlturms bei der hybriden Verflüssigung des Kältemittels ist ein wichtiger Faktor, daß die Drehzahl des Ventilators so gesteuert wird, daß bei maximaler Drehzahl die Lamellen des Verflüssigers über die ganze Tiefe des Wärmeaustauschers, gemessen in Luftströmungsrichtung, benetzt werden und bei reduzierter Ventilatordrehzahl nur der kältere Teil beim Rücklauf. Dadurch wird zum einen kein Tropfenaustrag aus dem Wärmetauscher bewirkt und zum anderen eine Reduzierung des Wasserverbrauches mit steigendem Anteil konvektiver Wärmeübertragung.For the operating phase of the dry cooling tower during hybrid condensation of the coolant, an important factor is that the speed of the fan is controlled in such a way that at maximum speed the fins of the condenser are wetted over the entire depth of the heat exchanger, measured in the direction of air flow, and at reduced fan speed only the colder part on the return flow. This means that no droplets are discharged from the heat exchanger and, on the other hand, water consumption is reduced with an increasing proportion of convective heat transfer.
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Die sonstigen konstruktiven Merkmale des Trockenkühlturms sind vom Fachmann in Anpassung an die jeweiligen Umstände mit dem Ziel eines möglichst günstigen Wirkungsgrades bei niedrigen Kosten wählbar, wobei auch weitere Ausstattungsmerkmale, beispielsweise ein Einstieg 22 in den Innenraum des Trockenkühlturms, Berücksichtigung finden können.The other design features of the dry cooling tower can be selected by the specialist in accordance with the respective circumstances with the aim of achieving the best possible efficiency at low costs, whereby other equipment features, such as an entrance 22 into the interior of the dry cooling tower, can also be taken into account.
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