DE3807784A1 - Kuehlturm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlturm für ein Kühl- und Kon­ densationssystem mit einem Primär- und Sekundärkreislauf.

Naßkühltürme und sogenannte Verdunstungskühler und -Kondensa­ toren sind seit vielen Jahren bekannt und in großen Stückzahlen im Einsatz. Sie gestatten eine wirtschaftliche Wasserrückküh­ lung zum Zwecke der Frischwassereinsparung, wobei der Frisch­ wasser- bzw. Zusatzwasserbedarf auf ca. 5% der erforderlichen Kühlwassermenge begrenzt wird. Thermodynamisch ist die Naßküh­ lung ein kombiniertes Wärme- und Stoffübertragungsverfahren, d.h., es wird sowohl die Konvektion als auch die Verdunstung ausgenutzt. Üblicherweise überwiegt der Verdunstungseffekt mit ca. 2/3 die Wärmeübertragung. Die theoretisch erreichbare Kaltwassertemperatur entspricht der Feuchtlufttemperatur und liegt somit meist unterhalb der Umgebungslufttemperatur, d.h. der Trockenlufttemperatur. Naßkühltürme haben jedoch, physi­ kalisch bedingt, den Nachteil einer sichtbaren Dampffahne (Schwadenaustritt), verbunden mit einer Rekondensation außer­ halb des Kühlturms, welche als Umweltbelästigung empfunden wird. Weitere Umweltbelästigungen bestehen durch Sprühtropfen­ auswurf und Geräuschverhalten.

Ein weiterer Umstand ist die qualitative und quantitative Ver­ änderung des Kühlwassers infolge Verdunstung von Wasserdampf und Eindickung der wasserbegleitenden Mineralien, die einem hohen Aufbereitungsaufwand für das Zusatzwasser bedeuten. Der nachgeschaltete Wärmeaustauscher oder Kondensator wird durch Ablagerungen aus dem Kühlwasser verschmutzt, verliert an Leistung und muß häufig gereinigt werden.

Zur Abhilfe dieser Nachteile wurde der geschlossene luftge­ kühlte Wärmeaustauscher oder Kondensator, allgemein als Luft­ kühler und -kondensator bezeichnet, vorgeschlagen. Bei ihm liegt jedoch die erreichbare theoretische Kühlwasser- bzw. Kondensationstemperatur oberhalb der Umgebungslufttemperatur und ist somit für viele Einsatzfälle nicht geeignet. Die Kühl­ leistung ist häufig nicht ausreichend, weil der Wärmeübergang ausschließlich durch Konvektion erreicht werden muß.

Ferner ist die Konbination der beiden zuvor beschriebenen Systeme bekannt, bei der der Verdunstungseffekt für ein ge­ schlossenes System nutzbar gemacht wird. Es handelt sich da­ bei um ein System mit Primär- und Sekundärkreislauf. Während das Primärsystem als geschlossener Kreislauf zur Kühlung oder Kondensation eines qualitativ und quantitativ unveränderten Mediums arbeitet, ist das Sekundärsystem als offener Kreis­ lauf ausgeführt. Das Kühlmedium des Primärsystems wird durch einen Wärmetauscher oder Kondensator geleitet, der in das Ge­ häuse eines Kühlturms integriert ist. Das Sekundärsystem be­ steht aus einer Belüftung und einer Sprüheinrichtung, mit der das Kühlmedium, in der Regel Wasser, auf den Wärmetauscher ge­ sprüht wird. Dadurch wird ein Verdunstungseffekt ausgelöst, der zur Abkühlung des Primärkreislaufes führt. Das abtropfende Wasser wird bei diesem bekannten System im unteren Bereich des Kühlturms in einem Auffangbecken gesammelt und mit Hilfe einer Pumpe erneut in den Kreislauf gepumpt.

Dieses kombinierte System hat den Nachteil, daß sich nach einiger Zeit auf dem Wärmetauscher Ablagerungen bilden und sich dadurch der Wärmeübergang verschlechtert. Die Wärmetau­ scher, die häufig aus eng benachbarten Rohren lassen sich aber nur schwer reinigen. Die Folge ist ein mit zunehmender Be­ triebsdauer geringerer Wirkungsgrad des Kühlsystems.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlturm für ein Kühl- und Kondensationssystem bereit­ zustellen, bei dem die zuvor genannten Ablagerungen auf dem Wärmetauscher vermieden werden und der einen verbesserten und zeitlich gleichbleibenden Kühlleistungs-Wirkungsgrad aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung geht dabei von dem Grundgedanken aus, den im Kühlturm integrierten Wärmetauscher in das Auf­ fangbecken für das Kühlmedium des Sekundärkreislaufes zu ver­ legen. Die bei dem bekannten System auftretenden Ablagerungen am Wärmetauscher, der über dem Auffangbecken angeordnet ist, sind auf die Verdunstung des Kühlwassers an dessen Oberfläche zurückzuführen. Derartige Ablagerungen treten bei der vorlie­ genden Erfindung nicht auf, bei der der Wärmetauscher vollständig in die Kühlflüssigkeit des Auffangbeckens eingetaucht ist.

Der Primärkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vor­ zugsweise als geschlossener Kreislauf ausgeführt, so daß belie­ bige Kühlmedia durch den Wärmetauscher geleitet werden können. Der Sekundärkreislauf ist hingegen als offener Kreislauf aus­ geführt, wobei bevorzugt Wasser als Kühlmedium verwendet wird. Das Wasser wird dabei über eine Sprühvorrichtung in den Kühl­ turm eingebracht, infolge des Verdunstungseffekts abgekühlt und dann in dem Auffangbecken gesammelt. Das durch Wärmeaus­ tausch mit dem Wärmetauscher angewärmte Wasser wird mittels einer Pumpe über eine Rückführleitung erneut zur Kühlung über die Sprühvorrichtung in den Kühlturm geleitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Wärmetau­ scher aus einer U-Rohrschlangenanordnung, durch die das Kühl­ medium des Primärkreislaufes geleitet wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht der Wärmetau­ scher aus einem Rohrbündel, mit Sammelleitungen bzw. Sammlern oder Kammern.

Bevorzugt wird der Wärmetauscher aus glatten Rohren zusammenge­ setzt, die bevorzugt aus einem synthetischen Material bestehen. Kunststoffrohre haben den Vorteil, daß sie einer äußeren und auch inneren Korrosion widerstehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im oberen Teil des Auffangbeckens eine Ablaufebene angeordnet, auf der das abtropfende Kaltwasser abregnet. Die sonst durch das Auftreffen der Wassertropfen auf der Wasseroberfläche entste­ henden Geräusche können mit Hilfe der Ablaufebene in vorteil­ hafter Weise vermindert werden.

Bevorzugt wird die Ablaufebene mit Geräuschdämm-Matten ausge­ stattet und ferner durch die Wahl des Werkstoffs, aus dem die Ablaufebene besteht und ihrer geometrischen Form geräusch­ dämmend ausgeführt. Als geometrische Form werden Schrägflächen­ anordnungen bevorzugt, auf denen die herabfallenden Wasser­ tropfen streifend, d.h. nicht senkrecht auftreffen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ablaufebene an einer Wand des Auffangbeckens befestigt und reicht bis zur gegenüberliegenden Wand des Auffangbeckens. Das gekühlte Was­ ser wird dadurch aufgefangen und so von der Ablaufebene in den unteren Teil des Auffangbeckens geführt, daß es im Gegenstrom an dem Wärmetauscher vorbei zu einem Auslaß des Auffangbeckens hindurchfließt.

Da der Wärmedurchgangswert k hauptsächlich von den Wärmeüber­ gangswerten α der beteiligten Stoffe oder Materialien be­ stimmt wird, liegen bei dem erfindungsgemäßen System, bei dem es sich thermodynamisch um ein Flüssigkeits-/Flüssigkeits­ system handelt, gegenüber einem luftgekühlten System erheblich verbesserte α- bzw. k-Werte vor. Dadurch sind die Voraus­ setzungen für eine Wärmeübertragung bei dem erfindungsgemäßen wassergekühlten System besser als bei den bisher verwendeten luftgekühlten Systemen mit Verdunstungseffekt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpleistung der Pumpe zur Rückführung des Kühlwassers im Se­ kundärkreislauf abhängig von der Temperatur im Auffangbecken steuerbar. Mit einem Temperaturfühler und einer Steuerschal­ tung können Abweichungen von einer gewünschten Solltemperatur festgestellt werden und durch Regeln der Pumpleistung kann dem erfindungsgemäßen System die bestmögliche Kaltwassertem­ peratur zur Verfügung gestellt werden. Dabei wird der Kühl­ turm voll als Naßkühlturm zur Rückkühlung des Beckenwassers genutzt. Auf dieser Grundlage ist eine schnelle Regelung mög­ lich, weil die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in dem Auffangbecken vorbei an dem Wärmetauscher maßgeblich die Wärmeübergangsleistung bestimmt. Der Zusammenhang der Nußelt-Zahl Nu, als dimensionslose Wärmeübergangszahl ebenso wie die darin enthaltene Reynolds-Zahl Re von der Strömungsge­ schwindigkeit der beteiligten Stoffe ist allgemein bekannt.

Es ist ferner bevorzugt, daß der Kühlturm in seinem unteren Bereich Lufteintrittsöffnungen aufweist, durch die mit einem Gebläse Luft eingeblasen wird, die innerhalb des Kühl­ turms nach oben aufsteigt und für eine Abkühlung des abtropfen­ den Kaltwassers sorgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Kühlturms in der Seitenansicht und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-B der Vorrich­ tung gemäß Fig. 1.

Die in der Zeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines Kühlturms 1 umfaßt einen Primärkreislauf und einen Se­ kundärkreislauf. Bestandteil des Primärkreislaufs ist ein Wär­ metauscher 2, der mehrere parallel angeordnete Rohre 20 auf­ weist, die jeweils mit Sammelrohren 21 und 22 in Verbindung stehen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, fließt das Kühlmedium des Primärkreislaufs durch einen Eingang 23 in das Sammelrohr 21, weiter durch die Rohre 20 in das Sammelrohr 22 und tritt aus einem Ausgang 24 wieder aus.

Der Sekundärkreislauf umfaßt eine Sprühanordnung 3 mit mehre­ ren Düsen, über die die Kühlflüssigkeit des Sekundärkreis­ laufs, d.h. im vorliegenden Fall Wasser, gegen einen aufstei­ genden Luftstrom versprüht wird. Das abtropfende Kaltwasser wird in einem Auffangbecken 4 gesammelt und von dort über eine Rückführleitung 5 mittels einer Pumpe 6 erneut zur Sprühvor­ richtung befördert. Die Rückführleitung 5 umfaßt einen an einer Beckenwand 41 des Auffangbeckens 4 angeordneten Ausgang 51 und einen im oberen Bereich des Kühlturms 1 angeordneten Ein­ gang 52, der mit der Sprühvorrichtung 3 in Verbindung steht.

Der Wärmetauscher 2 ist im Auffangbecken 4 angeordnet und voll­ ständig in das im Auffangbecken 4 gesammelte Wasser einge­ taucht.

Im oberen Bereich des Auffangbeckens 4 ist eine Ablaufebene 7 angeordnet, die sich von der Beckenwand 41 zu einer gegenüber­ liegenden Beckenwand 42 erstreckt. Die Ablaufebene 7 ist an der Innenseite der Beckenwand 41 befestigt und fällt von dort schräg nach unten ab, wobei ein freies Ende 71 kurz vor der Beckenwand 42 endet.

Oberhalb des Auffangbeckens 4 sind an den Seitenwänden des Kühlturms 1 Lufteintrittsöffnungen 8 angeordnet. Im Auffang­ becken ist ein Temperaturfühler 10 angeordnet, dessen Aus­ gangssignal an eine Regeleinrichtung 9 geliefert wird, die ihrerseits ein Regelsignal an die Pumpe 6 liefert.

Das in den Primärkreislauf strömende Primärmedium wird mit­ tels des Wärmetauschers 2, von dem in dem Auffangbecken 4 be­ findlichen Kaltwasser gekühlt. Das dabei aufgewärmte Becken­ wasser wird im Kühlturm 1 über die Sprühvorrichtung 3 ver­ sprüht und infolge des Verdunstungseffekts abgekühlt. Dabei wird das abtropfende Kaltwasser von der Ablaufebene 7 in den Bereich der Beckenwand 42 geleitet, von wo es im Gegenstrom an den Rohren 20 des Wärmetauschers zum Ausgang 51 fließt.

Die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Abkühleffekt wer­ den durch die Pumpleistung der Pumpe 6 bestimmt. Die Pump­ leistung wird über das Regelsignal der Regeleinrichtung 9 entsprechend einem Vergleich der von dem Temperaturfühler 10 gemessenen Ist-Temperatur mit einem Sollwert geregelt. Ferner ist die Ablaufebene zur Verringerung von Geräuschen durch das auftropfende Sekundärwasser schallgedämmt.

Die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung zeigt nur beispielhaft, auf welche Weise das Kühlwasser im Auffangbecken im Gegenstrom an dem Wärmetauscher vorbeige­ führt werden kann. Abänderungen hinsichtlich der Anordnung der Ablaufebene, des Auslasses für den Sekundärkreislauf und der Anordnung des Wärmetauschers bezüglich seiner Orien­ tierung sind dabei möglich.

Das neue kombinierte Kühl- und Kondensationssystem gemäß der Erfindung stellt eine Abkehr vom luftgekühlten System mit Verdunstungseffekt und Rückkehr zu einem wassergekühlten System mit besseren Voraussetzungen für die Wärmeübertra­ gung dar. Es ist ein integriertes System mit der Anordnung des Wärmeaustauschers bzw. Kondensators im Kaltwasserbecken. Das System ist gegenüber den bekannten durch seine geregelte Wasserzuführung und -strömung, durch die geometrisch-kon­ struktiven Maßnahmen und der Umwälzpumpe als Regelglied überlegen. Das in dem Primärsystem zirkulierende Kühlmedium bleibt in dem geschlossenen Kreislauf qualitativ und quan­ titativ unverändert.

Claims (8)

1. Kühlturm (1) mit einem Wärmetauscher (2) für einen Primär­ kreislauf und einem Sekundärkreislauf, der eine Sprühvor­ richtung (3), ein Auffangbecken (4), eine Rückführlei­ tung (5) und eine Pumpe (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) im Auffangbecken (4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) eine aus vorzugsweise glatten Rohren gebildete U-Rohrschlangenanordnung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) ein aus vorzugsweise glatten Rohren (20) gebildetes Rohrbündel mit Sammelleitungen (21, 22) aufweist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Auffang­ beckens (4) eine Ablaufebene (7) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufebene (7) werkstoffmäßig und/oder geometrisch geräuschdämmend ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablaufebene (7) an einer ersten Wand (41) des Auffangbeckens (4) befestigt ist und bis zu einer zweiten gegenüberliegenden Wand (42) schräg nach unten weisend reicht, wobei ein Auslaß (51) des Auffangbeckens an der ersten Wand (41) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (9) und einen Temperaturfühler (10) zur temperaturabhängigen Steuerung der Pumpleistung der Pumpe (6).

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch Lufteintrittsöffnungen (8) im unteren Bereich des Kühlturms oberhalb des Auffangbeckens.