DE4215898C2 - Verfahren zum Kühlen von Flüssigkeit in einem geschlossenen Primärkreislauf sowie Kühlvorrichtung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Flüs­ sigkeit eines einen Verbraucher einschließenden geschlosse­ nen Primärkreislaufes mittels eines Wärmetauchers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Zudem erfaßt die Erfin­ dung eine Kühlvorrichtung mit an einem Lüfter in ein Ge­ häuse einziehendem Luftstrom und in die sen einragenden Wär­ metauscher eines Primärkreislaufes, welcher im Innenraum der Kühlvorrichtung von einer oberen Sprüheinrichtung eines Sekundärkreislaufes für Sekundärwasser überspannt ist, jen­ seits deren sich zumindest eine Abluftöffnung befindet, wo­ bei zwischen Lüfter und Wärmetauscher wenigstens eine un­ tere Befeuchtungseinrichtung mit Sprühelementen vorgesehen ist.

Kühlvorrichtungen dieser Art sind aus der CH 493 812 be­ kannt; diese zeigt einen Verdunstungskühler, der im wesent­ lichen in einen die berieselten wärmetauschenden Flächen enthaltenden Raum und einen daneben befindlichen Rückführ­ raum für die Umwälzluft geteilt ist. Die berieselten wärme­ tauschenden Flächen erstrecken sich beidseitig bis in zwei Rückführräume. Letztere sind verhältnismäßig aufwendig. Denn zur Bildung definierter Strömungswege sind die wärme­ tauschenden Flächen unmittelbar von einem Gehäuse umgeben, dessen obere Öffnung etwas größer ist als der Flugkreis des Ventilatorflügels. Ein weiteres Gehäuse entspricht mit sei­ ner Basisfläche etwa den Abmessungen der Gehäusewanne und umschließt das Gehäuse einschließlich des Rückführraumes für die Umwälzluft, der zwischen den Gehäusewänden 17 und 18 entsteht. Auf dem Weg durch die unmittelbar vom Gehäuse umschlossenen wärmetauschenden Flächen und durch den Rück­ führraum bewegt sich somit bei Luftumwälzbetrieb die zwangsweise geförderte Luft gegenläufig. Vorgeschlagen wer­ den bei einer Ausführungsform sogar zwei Rückführräume.

Der am Wärmetauscher vorbeiziehende Luftstrom wird vor dem Wärmetauscher durch ein Fluid befeuchtet, dem keine Kühlaufgabe zukommt; zur vorübergehenden Vorwärmung der durch den Verdunstungskühler strömenden Luft, die bei­ spielsweise beim Anfahren einer mit dem erfindungsgemäßen Verdunstungskühler ausgerüsteten Produktanlage nötig sein wird, dient eine unter den wärmetauschenden Flächen angeord­ nete Einspeiseleitung für Dampf und/oder ein dampfbeheizter Wärmetauscher im Rückführraum. Zudem kann der außerhalb des dortigen Gehäuses angeordnete - vom oberen Berieselungs­ wasser durchströmte - Wärmetauscher gegebenenfalls zur Vorwärmung des Berieselungswassers dienen.

Kühlvorrichtungen als Geräte für die sog. Naßkühlung sind beispielsweise durch den Prospekt Nr. Kat o a 1 der Patent­ inhaberin bekannt. Bei der Naßkühlung erfolgt das Kühlen sowohl durch das Verdunsten von Wasser im Rückkühlwerk als auch - zu einem geringen Teil - durch die Aufnahme von fühlbarer Wärme aus der kälteren Luft. Das Prinzip der Naß­ kühlung beruht auf der hohen Verdunstungswärme des Wassers. Um ein Kilogramm Wasser zu verdampfen, muß eine Wärmemenge von ca. 575 kcal in das Wasser bei der entsprechenden Ver­ dampfungstemperatur gelangen. Falls man diese Wärmemenge nicht zuführt, wird sie der Umgebung entzogen, bis die Um­ gebung theoretisch die Verdampfungstemperatur erreicht hat. In einem Rückkühlwerk kann man als Umgebung das Rieselwas­ ser bezeichnen, das sich infolge des Wärmeentzugs durch verdampfendes Wasser abkühlt. Die Verdampfung - oder auch Verdunstung - wird durch die im Gegenstrom einströmende Luft eingeleitet, deren Temperatur am feuchten Thermometer niedriger liegt als das zu kühlende Rieselwasser. Die Luft nimmt den gesättigten Wasserdampf auf und verläßt das Gerät mit einer wesentlich höheren Feuchtkugeltemperatur.

Verdunstungskühler haben zwar einen hohen Wirkungsgrad, verursachen aber bei tiefen Außenlufttemperaturen und höhe­ rer Luftfeuchtigkeit mehr oder weniger ausgeprägte Dampffahnen und benötigen zur Deckung der Verdunstungs-, Sprüh- und Abschlämmverluste aufbereitetes Zusatzwasser.

Neben der Naßkühlung gibt es die bloße Wärmeübertragung durch Konvektion als Trockenkühlung. Das zu kühlende - durch den Kühlprozeß quantitativ und qualitativ nicht ver­ änderte - Medium wird durch einen Luft-Wasser-Wärmetau­ scher im geschlossenen System geführt, so daß die Abwärme als sensible Wärme schwadenfrei an die Umgebungsluft abge­ geben werden kann.

Aus physikalischen Gründen sinkt der Wirkungsgrad der Wär­ meübertragung durch Konvektion bei hohen Umgebungslufttem­ peraturen. Trockenkühler haben ein größeres Gerätevolumen, eine größere Grundfläche sowie einen umfangreichen Luftvo­ lumenstrom als Verdunstungskühler und sind deshalb teuerer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kühlverhal­ ten bei dem Verfahren und der Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren nach den unab­ hängigen Patentansprüchen 1 und 5.

Das zu kühlende Medium des Primärkreislaufes strömt oben über einen Verteiler in den Lamellen-Wärmetauscher ein und verläßt es unten über einen Sammler. Beim Durchströmen des Wärmetauschers gibt das zu kühlende Medium die abzuführende Wärme an die im Gegenstrom einströmende Luft ab. Das abge­ kühlte Medium steht zur Kühlung eines Verbrauchers zur Ver­ fügung. Da es sich um einen geschlossenen Kreislauf han­ delt, finden keine Verluste im Primärkreislauf statt, und es ist immer ein sauberes Kühlmedium im Umlauf.

Bei tiefen Umgebungslufttemperaturen erfolgt die Wärmeab­ gabe durch Trockenkühlung. Bei steigenden Umgebungslufttem­ peraturen auf ca. 15 bis 20°C wird der Trockenkühlung eine Luftbefeuchtung vorgeschaltet, indem vor dem - als Lamel­ lenkühler ausgebildeten - Wärmetauscher von einem Sekundärkreislauf in einem vorgeschalteten Sprühraum die Luft befeuchtet und adiabatisch auf ihre Feuchtkugeltempe­ ratur gebracht wird.

Bei Umgebungslufttemperaturen über etwa 25°C wird der Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung eine Naßkühlung überla­ gert, indem Berieselungswasser des Sekundärkreislaufes über die Wärmetauscheroberfläche rieselt und Frischluft im Ge­ genstrom eingeblasen wird. Die Frischluft erwärmt und sät­ tigt sich im Kontakt mit dem Berieselungswasser sowie dem benetzten Lamellenkühler und strömt nach oben aus. Das überschüssige Wasser wird gesammelt und zum Sekundärwasser zurückgeführt.

Der Wasserverbrauch ist bei der Trockenkühlung mit Luftbe­ feuchtung sehr gering, da die Luft lediglich befeuchtet wird.

Wasserverluste treten hauptsächlich nur bei der Naßkühlung auf. Sie beschränken sich auf die Verluste durch Beriese­ lung und Abschlämmung.

Die Aufsalzung des Sekundärkreislaufs wird über eine leit­ fähigkeitsgesteuerte Absalzautomatik überwacht.

Für eine Drehzahlregelung der Lüfterantriebe kommen polum­ schaltbare Drehstrommotoren oder Drehstrom-Normmotoren mit Frequenzumrichter zum Einsatz.

Die Befeuchtung der Luft im Sprühraum vor dem Lamellenküh­ ler und der Berieselung nach dem Lamellenkühler wird durch einen Temperaturregler gesteuert.

Erfindungsgemäß wird bei hoher Temperatur der Umgebungsluft durch Verdunstung, bei mittleren Umgebungslufttemperraturen durch Konvektion mit Luftbefeuchtung und bei tiefen Umge­ bungstemperaturen nur durch Konvektion gekühlt. Die Berie­ selung des Wärmetauschers ist eine wirksame Methode zur Senkung der Investitionskosten. Mit einer zeitweisen Berie­ selung des Wärmetauschers kann ein zusätzlicher Kühleffekt durch die Verdampfung des Wassers an der Wärme­ tauscheroberfläche erzielt werden, und es ist damit mög­ lich, das zu kühlende Medium unter die Umgebungslufttempe­ raturen abzukühlen. Die Trockenauslegungstemperatur kann auf ca. 6°C über der Feuchtkugeltemperatur angesetzt wer­ den.

Für das erfindungsgemäße Kühlverfahren gelten annähernd die Bedingungen der Naßkühlung.

t_u - t_f → 0 (t_u = Umgebungslufttemperatur),
t_wa < t_f (t_f = Feuchtkugeltemperatur),
t_wa = t_f+6°C (t_wa = Wasseraustrittstemperatur).

Das Umschalten von reiner Trockenkühlung auf Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung geschieht bei t_u = 15 bis 20°C und von Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung auf Naßkühlung bei t_u = 20 bis 25°C mit einer Wasserumlaufmenge des Sekundärkreislaufes von 15facher Verdunstungswassermenge.

Die Kühlleistung kann durch Berieselung des Wärmetauschers auf etwa das Zweieinhalbfache erhöht werden.

Hervorzuheben sind die möglichen tiefen Prozeßtemperaturen und der hohe Wirkungsgrad mit niedrigem Energieaufwand für Luft- und Sekundärkreislauf. Die Luftbefeuchtung und Naßkühlung dienen zugleich als Luftwäscher, ebenso werden durch die Naßkühlung atmosphärische Ablagerungen weggespült. Kalkablagerungen auf der äußeren Wärmetauscheroberfläche werden mit Zusatzstoffen im Sekundärkreislauf aufgelöst.

Die Luftbefeuchtungs- und Berieselungseinrichtung werden entweder jeweils mit einer separaten Förderpumpe oder mit einer gemeinsamen Zweistufenpumpe versorgt.

Temperaturhäufigkeit in Deutschland:

Außenlufttemperatur:
t_u ≧ 15°C: 2200 Jahresstunden,
20°C: 750 Jahresstunden,
25°C: 300 Jahresstunden,

Trockenkühlung ist etwa über 8000 Stunden im Jahr möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit wenigstens einer zwischen Lüfter und Wärmetauscher vorgesehenen Befeuchtungseinrichtung mit Sprühelementen für Sekundärwasser zeichnet sich dadurch aus, daß die obere Sprüheinrichtung und die untere Befeuchtungseinrichtung in einem gemeinsamen Sekundärkreislauf angeordnet sind, der bevorzugt mit einer Mehrstufenpumpe ausgestattet ist.

Nach einem weiteren Merkmal ist der Vorlauf des Wärmetauschers über eine Temperaturmeßeinrichtung mit einer Regeleinrichtung verbunden, an diese kann/können das/die Förderelement/e für Sekundärwasser angeschlossen sein. Zudem hat es sich als günstig erwiesen, daß die Regeleinrichtung mit wenigstens einem Elektromotor der Kühlvorrichtung und/oder zumindest einem Förderelement des Primärkreislaufes verbunden ist.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll vor allem dort erfolgen, wo höhere Anforderungen des zu kühlenden Verbrauchers an die Kühlwasserqualität bestehen, bei staubiger Umgebungsluft, Wasserknappheit, Kühlstellen mit engen Durchlässen und ebenfalls dort, wo es wichtig ist, Kalkablagerungen, Schlammbildung und Korrosion zu unterbinden.

Außerdem ist die Vorrichtung günstig zu verwenden, wenn der Betreiber im Zusammenhang mit Wasseraufbereitung, Wasserabschlämmung, Salzeintragung in die Atmosphäre die Schwadenbildung beachten muß, Wartungs- und Reinigungsauf­ wand beschränkt werden sollen, sich Glykol/Sole im Kühlwas­ ser finden, eine Wassertemperatur über 65°C herrscht oder mit Trockenkühlung schon bei hohen Umgebungslufttemperatu­ ren gefahren werden soll.

Nachfolgend seien einige der Vorzüge der Erfindung heraus­ gestellt:

• - das Kühlmedium wird durch den Kühlprozeß quantitativ und qualitativ nicht verändert;
• - das Kühlmedium zirkuliert im geschlossenen Kreislauf und kommt mit Kühlluft sowie Berieselungswasser nicht in Berührung, wodurch Verschmutzung, Ablagerungen und Korrosion im Kühlwasserkreislauf weitestgehend hintan­ gehalten werden;
• - das Kühlmedium Luft ist kostengünstig sowie das Kühl­ system umweltfreundlich und gleichzeitig wirtschaft­ lich;
• - Abkühlung erfolgt unter die Temperaturen der Umge­ bungsluft bei hohem Wirkungsgrad;
• - die Vorrichtung bietet verhältnismäßig kleine Abmes­ sungen;
• - geringere Investitionskosten als bei Trockenkühlung;
• - geringerer Kraftbedarf für den Lüfter als bei Trocken­ kühlung;
• - geringere Luftvolumenströme als bei Trockenkühlung;
• - keine Schwadenbildung (Trockenkühlung);
• - kein Wasserverbrauch (Trockenkühlung);
• - geringerer Wasserverbrauch bei Naßkühlung durch wirk­ same Wasserberieselung;
• - Trockenkühlung schon bei höheren Umgebungslufttempera­ turen möglich t_wa = t_f + 6 k;- Einsparung von Wasser- und Abwasserkosten;
• - für Wassereintrittstemperaturen < 65°C geeignet;
• - zuverlässiger Ganzjahresbetrieb (bei Betrieb mit Ge­ frierschutzmittel);
• - Anwendungsflexibilität, da kombinierter Wärmepumpen- und Kältemaschinenbetrieb möglich;
• - geringe Wartungserfordernisse.

Die gegebenenfalls entstehenden Nachteile - wie evtl. Abla­ gerungen auf dem Wärmetauscher, die biologisch abbaubare Zusatzstoffe im Sekundärkreislauf oder eine Reinigung er­ forderlich machen; höherer Kraftbedarf für den Lüfter als bei der Naßkühlung und gegenüber dieser höhere Investiti­ onskosten - sind gegenüber den genannten Vorzügen vernach­ lässigbar.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1 ein prinzipielles Kreislaufschema eines erfindungsgemäßen Hybridkühlers;

Fig. 2 einen Teil der Fig. 1 zu einer anderen Ausführung.

Ein Verbraucher 10 liegt mit dem als Lamellenkörper ausgebildeten Wärmetauscher 12 eines Verdunstungskühlers 14 in einem Primärkreislauf, dessen - vom Verbraucher her gesehen - Vorlauf 16 und dessen Rücklauf 17 zu einem Sammler 18 bzw. einem Verteiler 19 des Wärmetauschers 12 geführt sind. Vom Rücklauf 17 geht bei 20 eine Entlüftung aus.

Der Wärmetauscher 12 ist in einem quaderförmigen Gehäuse 22 von einer Berieselungs- oder Sprüheinrichtung 24 überspannt, die ihrerseits unterhalb eines Tropfenabscheiders 26 verläuft. Der Wärmetauscher 12 ist zudem oberhalb einer Befeuchtungseinrichtung 28 angeordnet, welche Flüssigkeit in einem sogenannten Vorraum 29 zerstäubt und dort vorhandene Luft konditioniert, die dann zum Wärmetauscher 12 - sowie von diesem zum Tropfenabscheider 26 als Abluft - aufsteigt und aus dem Gehäuse 22 nach oben in die Umgebungsluft austritt.

Die oberhalb des Wärmetauschers 12 vorgesehene Berieselungs- oder Sprüheinrichtung 24 ist Teil eines oberen Sekundär­ kreislaufes 30, die unterhalb des Wärmetauschers 12 angebrachte Befeuchtungseinrichtung 28 ist in einem gesonderten unteren Sekundärkreislauf 31 angeordnet, d. h. in einem Befeuchtungskreislauf.

Mittels einer Befeuchtungspumpe 33 des unteren Sekundärkreislaufes 31 wird aus einer Sumpfwanne 34 des Gehäuses 22 mit einem Druck von etwa 5 bis 15 bar zu den im einzelnen nicht erkennbaren Sprühdüsen dieser Befeuchtungseinrichtung 28 Wasser angehoben, an denen es zerstäubt austritt und die Kühlluft befeuchtet. Im Sumpf 35 ist ein Schwimmer 36 als Zulaufmengenregler an einer Zulaufleitung 37 zu erkennen.

In den Sumpf 35 ragen Heizfinger 38 und ein Thermofühler 40, welche über Leitungen 39 bzw. 41 an eine Regelstation 42 angeschlossen sind. Von dieser führen Leitungen 44 bzw. 46, 48 zu einem Elektromotor 45 am Verdunstungskühler 14 bzw. zu einer Umwälzpumpe 47 im Vorlauf 16 und zu einer Temperaturmeßeinrichtung 49.

Jene Befeuchtungspumpe 33 des Befeuchtungs- oder Sekundärkreislaufes 31 wird dank einer Steuerleitung 51 in Abhängigkeit von der Meldung der Wasseraustrittstemperatur durch die Temperaturmeßeinrichtung 49 im Vorlauf 16 ein- bzw. abgeschaltet. Die Wasserpartikel des fallenden Befeuchtungswassers bewegen sich im Gegenstrom zur Luft, die von einem doppelseitig saugenden, an die Gehäusefrontwand 52 angeschlossenen Radiallüfter 54 in den Vorraum 29 des Gehäuses 22 gedrückt wird.

Nach dem Befeuchten gelangt die aufsteigende Luft - wie bereits beschrieben - in den Bereich des aus der Sprüheinrichtung 24 fallenden Kühlwassers. Bei steigender Wasseraustrittstemperatur wird eine im oberen Sekundärkreislauf 30 vorhandene Berieselungspumpe 32 (0,5 bis 15 bar) über ihre Steuerleitung 50 - ebenfalls in Abhängigkeit von der Meldung der Wasseraustrittstemperatur durch die Temperatur­ meßeinrichtung 49 im Vorauf 16 - ein- bzw. abgeschaltet.

Der Wärmetauscher 14 weist Rohrschlangen zugeordnete ge­ wellte oder gerade Lamellen - mit einem Lamellenabstand etwa 10 mm - und mehrere tiefgezogene Fixpunkte zur Di­ stanzhaltung auf. Die für den Wärmeübergang erforderliche Verbindung zwischen Rohr und Lamelle wird dabei durch eine Aufweitung der Rohre erzielt, bei Wärmetauschern aus Stahl durch eine nach der Fertigung durchgeführte Verzinkung im Vollbad. Sowohl das Lamellenmaterial als auch die Wärmetau­ scherrohre samt Rohrsammler können aus Stahl, Edelstahl oder Kupfer gefertigt sein.

Bei Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Sprühdüsen der Berieselungseinrichtung 24 und die Sprühdüsen der Befeuch­ tungseinrichtung 28 in einem gemeinsamen Sekundärkreislauf 30 _a angeordnet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Kühlen von Flüssigkeit eines einen Ver­ braucher einschließenden geschlossenen Primärkreis­ laufes mittels eines Wärmetauschers, wobei einer den Wärmetauscher durchströmenden Flüssigkeit eines Pri­ märkreislaufes mittels den Wärmetauscher umströmender Umgebungsluft Wärme entzogen sowie der den Wärmetau­ scher umströmende Umgebungsluftstrom vor und hinter dem Wärmetauscher durch ein Fluid befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei tiefen Umgebungslufttemperaturen die Wärmeab­ gabe der zu behandelnden Flüssigkeit durch Trocken­ kühlung erfolgt, daß bei steigenden Umgebungslufttem­ peraturen der Trockenkühlung eine Luftbefeuchtung vorgeschaltet wird, indem vor dem Wärmetauscher von einem Sekundärkreislauf die Luft befeuchtet wird, und daß bei noch höheren Umgebungslufttemperaturen der Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung eine Naßkühlung überlagert wird, indem Berieselungswasser des Sekun­ därkreislaufes über die Wärmetauscheroberfläche rie­ selt und Frischluft im Gegenstrom eingeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten der Befeuchtung des Luftstromes bei einer Umgebungslufttemperatur von etwa 15° bis 20°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Umschalten auf die Berieselung des Durchströmmediums als Naßkühlung bei einer Umgebungs­ lufttemperatur von etwa 25°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Berieselungsstrom der Gegenstrom aus Frischluft erwärmt wird.

5. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, mit an einem Lüfter in ein Gehäuse einziehendem Luftstrom und in diesen einragendem Wärmetauscher eines Primärkreislaufes, welcher im Innenraum der Kühlvorrichtung von einer oberen Sprüheinrichtung eines Sekundärkreislaufes für Sekundärwasser über­ spannt ist, jenseits deren sich zumindest eine Ab­ luftöffnung befindet, wobei zwischen Lüfter und Wär­ metauscher wenigstens eine untere Befeuchtungsein­ richtung mit Sprühelementen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Sprüheinrichtung (24) und die untere Befeuchtungseinrichtung (28) in einem gemeinsamen Sekundärkreislauf (30 _a) angeordnet sind.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß in Stromungsrichtung der Luft vor dem Wärme­ tauscher (12) ein Vorraum (29) mit der unteren Be­ feuchtungseinrichtung (28) als Teil des Sekundär­ kreislaufes (31) angeordnet ist.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärkreislauf (30 bzw. 31) zumindest ein Förderelement (32 bzw. 33) vorgesehen und dieses im gemeinsamen Sekundärkreis­ lauf (30 _a) eine Mehrstufenpumpe ist.

8. Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen Lamellenkühler als Wärmetauscher (12).

9. Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf (16) des Wärmetauschers (12) über eine Temperaturmeßein­ richtung (49) mit einer Regeleinrichtung (42) verbun­ den sowie an diese das Förderelement (32 und/oder 33) für Sekundärwasser angeschlossen ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (42) mit wenigstens einem Elektromotor (45) der Kühlvor­ richtung (14) und/oder mit zumindest einem Förderele­ ment (47) des Primärkreislaufes (16, 17) verbunden ist.