DE3023982C2

DE3023982C2 - Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm

Info

Publication number: DE3023982C2
Application number: DE3023982A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 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: 1982-08-26
Also published as: FR2485713A1; IT1138417B; DE3023982A1; IT8122345A0; ES8301357A1; BR8104001A; ZA814140B; ES503390A0; GB2078358A; GB2078358B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm mit einem in Strömungsrichtung der Kühlluft im unteren Bereich konvergierenden und im oberen Bereich divergierenden Strömungsquerschnitt mittels mindestens eines ringförmig in der Nähe der Kühlturmwand angeordneten, allseitig umströmten Einbaukörpers, der Wirbelfelder erzeugt, deren quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Strömungskomponenten eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand bewirken.

Bei mit natürlichem Zug arbeitenden Kühltürmen kann es unter bestimmter Witterungsverhältnissen und Betriebsbedingungen zu instabilen Strömungsverhältnissen 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 sich zum Zwecke der Verminderung des Strömungsquerschnitts verengt, um dutch 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 zur Erhöhung ίο der Zugwirkung des Kühlturms sowie die Anbringung von seitlichen Öffnungen im Mündungsbereich des Kühlturms, welche in Abhängigkeit von der Windrichtung geöffnet oder geschlossen werden sollen.

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

In der älteren Patentanmeldung P 29 25 461.3-13 ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm enthalten, wobei sich die Einbaukörper im Austrittsbereich des Kühlturms befinden. Infolge des divergierenden Strömungsquerschnitts im oberen Bereich des Kühlturms kann es hierbei unter ungünstigen Verhältnissen verkommen, daß mehrere Einbaukörper im Bereich von Kaltlufteinbrüchen liegen, so daß sie nicht mehr von der aus dem Kühlturm austretenden Strömung erfaßt werden und demgemäß ihre Wirkung verlieren. Derartige Situationen können insbesondere bei Kühltürmen mit stark divergierendem Austrittsbereich und/oder bei pulsierenden Seitenwinden eintreten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Weiterbildung des in der älteren Patentanmeldung P 29 25 461.3-13 enthaltenen Vorschlages eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand auch bei extremen Witterungsverhältnissen und ungünstigem Konturverlauf der Kühlturmwand sicherzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaukörper im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts angeordnet ist.

Mit diesem erfindungsgemäßen Vorschlag wird gegenüber der älteren Patentanmeldung P 29 25 461.3-13 der Vorteil erzielt, daß der Einbaukörper auch dann voll wirksam ist, wenn durch Kaltlufteinbrüche am oberen Rand die gemäß der älteren Anmeldung im Randbereich angeordneten Einbaukörper wirkungslos werden, weil sie in einem Totzonenbereich liegen. Der erfindungsgemäße Vorschlag stellt somit eine nicht unerhebliche Verbesserung des älteren Vorschlages dar, die insbesondere bei ungünstigem Konturverlauf bestehender Kühltürme und bei extrem schlechten Witterungsverhältnissen zum Tragen kommt

Durch die erfindunsgemäß im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts des Kühlturms angeordneten Einbaukörper werden Wirbel erzeugt, die Energie aus der Strömung im Mittenbereich des Kühlturms an die Strömungsgrenzschicht der Kühlluft an der Wandinnenfläche des Kühlturms zuführen. Eine derartige Energiezufuhr aus der gesunden, d. h. von der Wandreibung nicht beeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms an die Strömungsgrenzschicht versetzt diese

in die Lage, 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 diesen 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 ohne die Gefahr von Stremungsablösungen optimiert werden, wodurch der hyperbolische Kühlturm mit einer gegenüber anderen Formen der Kühlturmschale noch leichteren und damit kostengünstigeren Bauweise erteilt werden kann.

Da der erfindungsgemäße Einbaukörper 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.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Einbaukörper als konzentrisch zur Kühlturmwand angeordneter Ring ausgebildet. Dieser Ring kann e^;nen beliebigen Querschnitt besitzen. Vorzugsweise wird er jedoch mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet

Anstelle eines geschlossenen Ringes können gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung mehrere einzelne Einbaukörper ringförmig, d. h. auf einem gedachten Ring innerhalb des Kühlturms angeordnet sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder der einzelnen Einbaukörper deltaförmig mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Kühlluft weisender Spitze ausgebildet und unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angestellt Hierdurch ergibt sich ein Verlauf der Vorderkanten der Einbaukörper, 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 es schließlich möglich ist, die Lage und die Anstellung der Einbaukörper in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kühlturms zu verändern.

Die in den Ansprüchen 2 bis 7 enthaltenen Merkmale sind an sich bereits aus genannter älteren Patentanmeldung- J? 29 25 4613-13 bekannt Die Ansprüche 2 bis 7 sind dahgr^echigUnteransprüche.

Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßeii Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 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 Einbaukörper,

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Hälfte des Kühlturms nach F i g. 2,

Fig.4 ein Diagramm der Temperaturverteilung an der Mündung des Kühlturms nach F i g. 2 ohne Einbaukörper,

F i g. 5 ein der F i g. 4 entsprechendes Diagramm mit den in den F i g. 2 und 3 dargestellten Einbaukörpern,

Fig.6 eine der Fig.2 entsprechende Seitenansicht eines Kühlturms mit einer zweiten Anordnungsmöglichkeit der Einbaukörper,

Fig.7 eine Draufsicht auf etwa eine Hälfte des Kühlturms nach F i g. 6,

Fig.8 eine Seitenansicht eines Kühlturms mit in der Höhe gestaffelten Einbaukörpern,

Fig.9 eine Seitenansicht eines weiteren Kühlturms mit in einer Querschnittsebene gestaffelten Einbaukörpern,

F i g. 10 eine Draufsicht auf eine Hälfte des Kühlturms nach F i g. 9,

F i g. 11 eine Seitenansicht eines Kühlturms mit einer weiteren Ausführungsmöglichkeit für den Einbaukörper und

F i g. 12 eine Draufsicht auf eine Hälfte des Kühlturms nach F ig. 11.

Der in F i g. 1 dargestellte Abschnitt des oberen Teils eines hyperbolischen Kühlturms zeigt eine Kühlturmwand 1, die in Strömungsrichtung der Kühlluft bis zu einem engsten Querschnitt 2 konvergiert und anschließend diffusorartig divergiert. Die aufwärtsgerichtete Strömung der Kühlluft wird an der Innenseite der Kühlturmwand 1 durch Reibung abgebremst, so daß sich über den Strömungsquerschnitt des Kühlturms ein Geschwindigkeitsverlauf für die Kühlluft ergibt, wie er unterhalb des engsten Querschnittes 2 angedeutet ist. Es ist gut zu erkennen, daß die Geschwindigkeit an der Innenseite der Kühlturmwand 1 gleich null ist.

Um einer Verstärkung dieser Strömungsgrenzschicht, deren Dicke mit zunehmender Lauflänge der Strömung entlang der Kühlturmwand 1 zunimmt, entgegenzuwirken und eine Ablösung der Strömungsquerschnitte von der Kühlturmwand 1 zu verhindern, ist gemäß F i g. 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 Vorderkantenverlauf 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 F i g. 1 dargestellte Geschwindigkeitsverteilung zeigt demgemäß, daß auch im Bereich der Strömungsgrenzschicht unmittelbar an der Kühlturmwand 1 eine definierte aufwärtsgerichtele 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 F i g. 2 und 3 dargestellten Kühlturm sind insgesamt zwölf deltaförmige Einbaukörper 3 im Bereich des engsten Querschnittes 2 und nahe der Kühlturmwand 1 angeordnet, und zwar in tangentialer Ausrichtung, wie insbesondere die Draufsicht gemäß F i g. 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 F i g. 2 und 3 aufgetragen ist, und zwar ohne Einbaukörper 3. Das Diagramm gemäß F i g. 4 zeigt auf der rechten Seite des Kühlturms einen Kaltlufteinbruch. Ein derartiger Kaltlufteinbruch wird durch die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Einbaukörper 3 verhindert, wie das Diagramm nach Fig.5 zeigt. Dieses ist ebenso wie das Diagramm nach F i g. 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 Kaltlufteinbrüchen, wie dies durch die vergleichmäßigte Temperaturverteilung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Kühlturms im Bereich der Kühlturmmündung nach F i g. 5 zum Ausdruck kommt.

κι Anstelle der tangentialen Anordnung der Einbaukörper 3 gemäß den F i g. 2 und 3 können die deltaförmigen Einbaukörper 5 auch radial im Kühlturm angeordnet werden, wie dies die F i g. 6 und 7 zeigen. Außerdem ist es gemäß F i g. 8 möglich, tangential ausgerichtete Einbaukörper 3 in der Höhe gestaffelt im Kühlturm anzuordnen. Die Fig.9 und 10 zeigen eine Staffelung deitaförmiger Einbaukörper 5 in einer Querschnittsebene.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 11 und 12 zeigt schließlich einen hyperbolischen Kühlturm, im Bereich dessen engsten Strömungsquerschnitts 2 ein als Ring 6 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeter Einbaukörper angeordnet ist. Auch^ dieser konzentrisch zur Kühlturmwand 1 angeordnete Ring 6 mit kreisförmigem Querschnitt erzeugt Wirbel, welche Energie aus der von der Wandreibung unbeeinflußten Strömung im Mittenbereich des Kühlturms in die Strömungsgrenzschicht der Kühlluft an der Innenfläche der Kühlturmwand 1 führen und damit eine Stabilisierung der Randströmung im Kühlturm bewirken.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentansprüche:

1- Vorrichtung zur Stabilisierung der Randströmung in einem Kühlturm mit einem in Sirömungsrichtung der Kühlluft im unteren Bereich konvergierenden und im oberen Bereich divergierenden Strömungsquerschnitt mittels mindestens eines ringförmig in der Nähe der Kühlturmwand angeordneten, allseitig umströmten Einbaukörpers, der Wirbelfelder erzeugt, deren quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Strömungskomponenten eine energetische Anreicherung der Grenzschichtströmung an der Kühlturmwand bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaukörper (3, 5, 6) im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaukörper als konzentrisch zur Kühlturmwand (1) angeordneter Ring (6) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (6) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Einbaukörper (3, 5) ringförmig angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Einbaukörper (5) radial im Kühlturm angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Einbaukörper (3) tangential im Kühlturm angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die delticförmigen Einbaukörper (3,5) in mehreren Reihen und in der Höhe oder in der Querschnittsebene versetzt im Kühlturm angeordnet sind.