DE3023982A1

DE3023982A1 - Verfahren und vorrichtung zur stabilisierung der randstroemung in einem kuehlturm

Info

Publication number: DE3023982A1
Application number: DE3023982A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 5100 Aachen Ruscheweyh
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2485713A1; IT1138417B; IT8122345A0; ES8301357A1; BR8104001A; ZA814140B; ES503390A0; DE3023982C2; GB2078358A; GB2078358B

Description

Balcke-Dürr Aktiengesellschaft ,Hornberger Straße 2,40^0 Ratingenl

Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm mit einem in Strömungsrichtung der Kühlluft im unteren Bereich konvergierenden und im oberen Bereich divergierenden Strömungsquerschnitt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei mit natürlichem Zug arbeitenden Kühltürmen kann es bei bestimmten Witterungsverhältnissen und Betriebsbedingungen zu instabilen S tr örnungs Verhältnissen am Austritt der Kühlluft aus dem Kühlturm kommen, die zu Kaltlufteinbrüchen in den oberen Teil des Kühlturms und damit zu einer Verschlechterung des Kühlturm-Wirkungsgrades führen. Um diese Nachteile zu vermeiden, sind aus der Literatur seit längerer Zeit verschiedene Vorschläge bekannt. Einer dieser Vorschläge sieht vor, anstelle eines hyperbolischen Kühlturms mit divergierendem Austrittsbereich einen Kühlturm zu verwenden, dessen Austrittsbereich sieh zum Zwecke der Verminderung des Strömungsquerschnittes verengt, 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 und Heranziehung des Seitenwindes sur .^höhung der Zugwirkung des Kühlturms sowie die Anbringung von seitlichen Öffnungen im

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Mündungsbereich des Kühlturms, welche in Abhängigkeit von der- Windrichtung geöffnet oder geschlossen werden sollen.

Diese bekannten Vorschläge haben nicht nur den Nachteil, daß sie zum nachträglichen Sinbai.i in vorhandene Kühltürrne ungeeignet sind, sondern erfordern gegenüber den bekannten hyperbolischen Kühltürmen einen höheren Konstruktionsaufwand, der gegebenenfalls erzielte Verbesserungen des Kühlturm-Wirkungsgrades in wirtschaftlicher I-ilasioht zumindest teilweise wieder aufhebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm mit einem in Strömungsrichtung der Kühlluft im unteren Bereich konvergierenden und ha oberen Bereich divergierenden Strömungsquerschnitt zu schaffen, die sowohl bei neu zu errichtenden als auch bei vorhandenen Kühltürmen angewendet werden können und mit geringem techuiscneii sox'/ie finanziellem Aufwand eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades bei allen Betriebszuständen des Kühlturmes erzielen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß den Wirkungsgrad eine Kühltürras verschlechternde Kaltlufteinbrüche die Folge einer Ablösung der Strömung an der Innenwand des Kühlturms sind, wobei Strömungsablösungen dann auftreten, wenn in der Strömung Reibung und Druckanstieg gleichzeitig auftreten. Da an der Kühlturminnenwand die aufwärtsgerichtete Strömung der Kühlluft durch Reibung abgebremst wird, entsteht eine Strömungsgrenzschicht, deren Dicke mit zunehmender Lauflänge der Strömung entlang der Wand anwächst. Die viandnaheix Strömungsbereiche verlieren so zunehmend an Energie, so daß sie sich durch eine beispielsweise durch Druckanstieg, Stolperkanten oder Kaltluftballen erzeugte Störung leicht von der Wand abdrängen lassen, wodurch insbesondere Kaltluftballen ο Gelegenheit haben, bis zur Ablösestelle der Strömungsgrenz-

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schicht in den Kühlturm einzudringen.

Um die Wirkung der Wandreibung auf die Strömungsgrenzschicht der Kühlluft zu vermindern und somit eine der Voraussetzungen zur Ablösung der Strömung von der Wand zu vermeiden, wird mit der Erfindung zur Lösung der voranstehend dargelegten Aufgabenstellung vorgeschlagen, der Strömungsgrenzschicht der Kühlluft an der Wandinnenfläche des Kühlturms durch im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts angeordnete, Wirbel erzeugende Einbaukörper Energie aus der von der Wandreibung unbeeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms zuzuführen.

Durch eine derartige Energiezufuhr aus der gesunden, d.h. von der Wandreibung nicht beeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms an die Strömungsgrenzschicht wird diese erfindungsgemäß wieder in die Lage versetzt, äußere Störungen zu überwinden, insbesondere einem Druckanstieg ohne Strömungsablösung zu folgen und durch Eigenimpulse Kaltluftteilchen nach oben wegzudrängen. Die Verminderung der Reibungswirkung in der Strömungsgrenzschicht durch den erfindungsgemäßen Energieaustausch innerhalb des Kühlturms stabilisiert somit die Randströmung in einem hyperbolischen Kühlturm, so daß dessen Diffusorwirkung aufgrund seiner divergierenden Kühlturmkrone mit dem Ziel der Verringerung des infolge kleinerer Strömungsgeschwindigkeit geringeren Austrittsimpulses voll genutzt werden kann. Gleichzeitig kann die Kontur des Kühlturms in den technisch vorgegebenen Grenzen nach rein statischen Gesichtspunkten optimiert werden, wodurch der hyperbolische Kühlturm mit einer gegenüber anderen Formen der Kühlturmschale noch leichteren und damit kostengünstigeren Bauweise erstellt werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Kanten der Einbaukörper sich in Strömungsrichtung der Kühlluft ausbreitende Wirbel mit ausgeprägten

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Strömungskomponenten quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft erzeugt. Hierdurch werden die energiearmen Luftteilchen von der Wandung des Kühlturms wegtransportiert und durch energiereiche Luftteilchen aus der Kühlturm-Kernströmung ersetzt, so daß die Strömungsgrenzschicht genügend Energie erhält, um einem Druckanstieg, d.h. einer Strömungsverzögerung ohne Ablösung von der Wand zu folgen.

Da der Sinbaukörper nach der Erfindung nicht als Strömungsleitfläche für die Kühlluft dient, sondern mit seinen Kanten Wirbel erzeugt, ist der Strömungswiderstand des Einbaukörpers, und zwar nicht nur bezogen auf den Gesamtwiderstand der im Kühlturm eingebauten Wärmeaustauscheinrichtungen vernachlässigbar klein. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wirbel erzeugenden Flächen im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt des Kühlturms klein sind und der Kühlluftströmung lediglich einen Wirbelimpuls geben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet mindestens einen in Strömungsriehtung der erwärmten Kühlluft hinter den Wärmeaustauscheinrichtungen des Kühlturms angeordneten Einbaukörper. Dieser Einbaukörper ist erfindungsgemäß im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts des Kühlturms sowie in der Nähe der Kühlturmwand angeordnet, so daß die Strömungsgrenzschicht im oberen Bereich des Kühlturms mit zunehmendem Strömungsquerschnitt energetisch angereichert und damit vor Wandablösungen geschützt wird.

Die erfindungsgemäßen Einbaukörper können entsprechend der technischen Auslegung und Konstruktion des Kühlturms optimal angepaßt werden, und zwar hinsichtlich ihrer Größe, Anzahl, Geometrie und Einbauposition. Im einfachsten Fall ist der Eüi'baukörper als konzentrisch zur Kühlturmwand angeordneter Ring, vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet.

Anstelle eines geschlossenen Ringes können erfindungsgemäß

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-brauch mehrere einzelne Einbaukörper ringförmig, d.h. auf einem gedachten Ring innerhalb des Kühlturms angeordnet sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder Einbaukörper deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisende Spitze ausgebildet und unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt. Hierdurch ergibt sich ein Kantenverlauf, der sowohl eine in Strömungsrichtung der Kühlluft als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist und bei einer Anströmung mit der Kühlluft kräftige Wirbel erzeugt, die sich in Strömungsrichtung der Kühlluft ausbreiten und ausgeprägte Strömungskomponenten quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft besitzen, wodurch energiearme Luftteilchen von der Wandung wegtransportiert und durch energiereiche Luftteilchen aus der Kühlturm-Kernströmung ersetzt werden.

Die deltaförmigen Einbaukörper können entweder radial oder tangential im Kühlturm angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, die deltaförmigen Einbaukörper in mehreren Reihen und in der Höhe oder in der Querschnittsebene versetzt im Kühlturm unterzubringen, wobei schließlich auch die Möglichkeit besteht, die Lage und die Anstellung der Einbaukörper in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kühlturms zu verändern.

Auf eier' Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, anhand denen das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden soll. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen hyperbolischen Kühlturm mit einem im engsten Strömungsquerschnitt angeordneten Einbaukörper,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Kühlturms mit einer ersten Ausführungsform der Einbau-

«° !corper,

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Fig. 5 eine Draufsicht auf eine }il^r,lfte des Kühlturm^

nach Fig. 2.,
I⁷ig. 4 ein Diagramm öer Temperaturverteilung an der

I-iünrluri£ des Kühlturms nach Fig. 2 ohne Einbau-

körper j,
Fig. 5 ein der Fig. 4 entsprechendes Diagramm mit den

in den Figuren 2 und j5 dargestellten Einbau-

körpernj
Fig. -.: eine der rig. 2 entsprechende Seitenansicht

eines Kühlturms mit einer zweiten Anordnungsmöglichkeit der Einbaul-zörper, Fig. 7 eine Draufsicht auf etwa eine Hälfte des Kühl-

üurms nach Fig. 6,
Fig. L eine Jeitenansicht eines Kühlturms mit in der

I-;öhe gestaffelten -iirihaukorpern, FJg. ν iiue Seitenansicht eines -weiteren Kühlturms

iait in einer '^uerschnitti.-eberie gestaffelten

Fig ο IC cine Draufsicht auf eine Ilvlfte des Kühlturms

nach Fig. 9j
Fig.11 eine Seitenansicht eines Kühlturms mit einer

weiteren Ausführungsmägliehkeit für den Einbau-

körper und
Fig. 12 eine Draufsicht auf pipe Hälfte des Kühlturm

nach Fig. 11.

Der in Fig. 1 dargestellte Abschnitt dee oberen Teils eines hyperbolischen Kühlturms zeigt eine liühlturnivrand 1, die in Ströniungsrichtung der Kühlluft bis zu einem engsten Querschnitt 2 konvergiert und anschließend Jiffucorartig divergiert. Die aufwürtsgerichtete Strömung der Kühlluft wird an der Innenseite der Kühlturmuand 1 durch Reibung abgebremst, so daß sich über den Strömungsquerschnitt des Kühlturms ein Geschwindigkeitsverlauf für die Kühlluft ergibt, wie er unterhalb des engsten S Querschnittes 2 angedeutet ist. Zs ist gut zu erl-rennen, daß

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die Geschwindigkeit an der Innenseite dor Kühlturmuand 1 gleich null ist.

Um einer Verstärkung dieser Strömungsgrenzschicht, deren Dicke mit zunehmender Lauflclnge der Strömung entlang der Kühlturmwand 1 zunimmt, entgegenzuwirken und eine Ablösung der Strömungsquerschnitte von der Kühlturmwand 1 zu verhindern, ist gemäß Fig. 1 im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts 2 ein Einbaukörper 3 angeordnet, der deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisende Spitze ausgebildet und unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt ist. Hierdurch ergibt sich ein Kantenverlauf des deltaförmigen Einbaukörpers 3, der sowohl eine in Strömungsrichtung der Kühlluft als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist. Dieser Kantenverlauf erzeugt einen starken, sich in Strömungsrichtung der Kühlluft ausbreitenden Wirbel 4, der ausgeprägte Strömungskomponenten quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft aufweist und energiearme Luftteilchen von der Kühlturmwand 1 wegtransportiert und durch energiereiche Luftteilchen aus der Strömung im Kühlturm-Kern ersetzt. Hierdurch wird der Strömungsgrenzschicht an der Innenfläche der Kühlturmwand 1 Energie aus der von der Wandreibung unbeeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms zugeführt. Die oberhalb des Wirbels 4 in Fig. 1 dargestellte Geschwindigkeitsverteilung zeigt demgemäß, daß auch im Bereich der Strömungsgrenzschicht unmittelbar an der Kühlturmwand 1 eine definierte aufwärtsgerichtete Geschwindigkeit vorhanden ist, so daß die Strömungsgrenzschicht und die wandnahen Schichten wieder in der Lage sind, äußere Störungen zu überwinden. Insbesondere können sie einem Druckanstieg ohne Ablösung von der Kühlturmwand 1 folgen und durch Eigenimpulse Kaltluftteilchen wegschieben.

Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Kühlturm sind ο insgesamt zwölf deltaförmige Einbaukörper 3 im Bereich des

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engsten Querschnittes 2 und nahe der Kühlturmwand 1 angeordnet, und zwar in tangentialer Ausrichtung,, wie insbesondere die Draufsicht gemäß Fig. 3 zeigt. Die Wirkung dieser Einbaukörper 3 ist voranstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert worden.

Die Fig. 4 ist ein Diagramm, in welchem die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft im Kühlturminneren und der Außenluft im Bereich des Kühlturmaustrittes über dem Durchmesser d des Kühlturms gemäß den Figuren 2 und 3 aufgetragen ist, und zwar ohne Einbaukörper 3. Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt auf der rechten Seite des Kühlturms einen Kaltlufteinbruch. Ein derartiger Kaltlufteinbruch wird durch die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Einbaukörper 3 verhindert, wie das Diagramm nach Fig. zeigt. Dieses ist ebenso wie das Diagramm nach Fig. 4 durch einen Modellversuch entstanden, bei welchem die Temperaturverteilung an der Kühlturmmündung gemessen worden ist. Die Einbaukörper 3 verhindern somit durch eine energetische Anreicherung der Strömungsgrenzschicht das Auftreten von Kaltlufteinbrachen, wie dies durch die vergleichmäßigte Temperaturverteilung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Kühlturms im Bereich der Kühlturmmündung nach Fig. 5 zum Ausdruck kommt.

Anstelle der tangentialen Anordnung der Einbaukörper 3 gemäß den Figuren 2 und 3 können die deltaförmigen Einbaukörper 5 auch radial im Kühlturm angeordnet werden, wie dies die Figuren β und 7 zeigen. Außerdem ist es gemäß Fig. 8 möglich, tangential ausgerichtete Einbaukörper 3 in der Höhe gestaffelt im Kühlturm anzuordnen. Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Staffelung deltaförmiger Einbaukörper 5 in einer Querschnittsebene.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 11 und 12 zeigt schließlich einen hyperbolischen Kühlturm, im Bereich dessen engsten Strömungsquerschnitts 2 ein als Torus 6 ausgebildeter Einbaukörper angeordnet ist. Auch dieser konzentrisch zur

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Kühlturmwand 1 angeordnete Torus 6 erzeugt Wirbel, welche Energie aus der von der Wandreibung unbeeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms in die Strömungsgreiizschicht der Kühlluft an der Innenfläche der Kühlturmwand 1 führen urn; damit eine Stabilisierung der Randströmung im Kühlturm bewirken.

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Patentansprüche:

'fl./Verfahren zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm mit einem in Strömungsrichtung der Kühlluft im unteren Bereich konvergierenden und im oberen Bereich divergierenden Strömungsquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsgrenzschicht der Kühlluft an der Wandinnenfläche des Kühlturms durch im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts angeordnete, Wirbel erzeugende Einbaukörper Energie aus der von der Wandreibung unbeeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kanten der Einbaukörper sich in Strömungsrichtung der Kühlluft ausbreitende Wirbel mit ausgeprägten Strömungskomponenten quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft erzeugt werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einem in Strömungsrichtung der erwärmten Kühlluft hinter den Wärmeaustauscheinrichtungen des Kühlturms angeordneten Einbaukörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaukörper (3, 5, 6) im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts (2) des Kühlturms sowie in der Nähe der KUhlturmwand (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaukörper als konzentrisch zur KUhlturmwand (1) angeordneter Ring (6) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring als Torus (6) ausgebildet ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Einbaukörper (3, 5) ringförmig angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einbaukörper (3, 5) deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisender Spitze ausgebildet und unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Einbaukörper (5) radial im Kühlturm angeordnet sind.
9· Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Einbaukörper (3)tangential im Kühlturm angeordnet sind.
10.Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Einbaukörper (3, 5) in mehreren Reihen und in der Höhe oder in der Querschnittsebene versetzt im Kühlturm angeordnet sind.

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