DE4325945C2 - Klimakühlturm - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Klimakühlturm für Anlagen zur Kaltwas­ sererzeugung, in welchem durch Außenluft und/oder Wasserverrieselung Wär­ me aus dem Kalt- und Kühlwasserkreislauf einer Kältemaschine abgeführt wird.

Bei den bislang vorgesehenen Trocken-/Naßkühltürmen der vorstehend be­ schriebenen Art wird Wasser in einem Turm von oben nach unten verrieselt, in welchem Rohrschlangen angeordnet sind, in denen das Kühlwasser für die Kältemaschine zirkuliert. Entgegen dem verrieselten Wasser kann dabei im Trockenbetrieb auch Luft durch den Turm und damit an den Rohrschlangen vorbeigeblasen werden. Hinsichtlich dieser vorbekannten Trocken- /Naßkühltürme verweisen wir auf folgende Quellen:

• 1. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 92/93, Recknagel, Sprenger, Höhnmann, R.Oldenbourg Verlag München, 647 Wasserrückkühlung, Seite 1619-4 Geschlossene Rückkühlwerke
• 2. Lehrbuch der Kältetechnik, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, Abs. 9.2.2.2, Verdunstungskühlung
• 3. Wärmeaustauscherhandbuch, Vulkan-Verlag 1991, 9.6 Kühlwassersy­ steme unter Absatz 4.1, Geschlossene Kühlsysteme
• 4. Sonderdruck aus "Technische Mitteilungen", 81. Jahrgang, Heft 2/1988, Vulkan-Verlag Essen "Einsatz von Serienkühltürmen", Dipl.-Ing. S.Sommer.

Diese bekannte Anordnung hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen kann man mit ihr entweder nur Naßbetrieb oder nur im Trockenbetrieb fahren, während ein sinnvoller kombinierter Trocken-Naßbetrieb in den Übergangs­ jahreszeiten nicht vernünftig möglich ist. Darüber hinaus ergibt sich bei dieser Art der Führung des Kühlwassers in vom verrieselten Wasser umströmten Rohrschlangen stets eine Kühlwasserablauftemperatur, die um wenigstens 3°C über der Kühlwasserablauftemperatur bekannter Naßkühltürme liegt, so daß ein erheblicher Teil an Kühlwirkung verloren geht, die dann über eine erhöhte elektrische Leistung der Kältemaschine aufgebracht werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Trocken-/Naß-Kühlturm der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß im Naßbetrieb eine Kühl­ wasserablauftemperatur nahe der Feuchtlufttemperatur und in der kalten Jah­ reszeit im Trockenteil eine ausreichend tiefe Kaltwasseraustrittstemperatur im Freikühlerbetrieb möglich ist und andererseits die Möglichkeit besteht, den Kühlturm gle­ ichzeitig zur Reduzierung der Heizkosten in die Gebäudekli­ matisierung mit einzubeziehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Klimakühlturm in einen Freikühler mit einem eige­ nen, vorzugsweise mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betriebe­ nen, Kaltwasserkreislauf und einen über einen Ventilator an den Luftaustritt des Freikühlers angeschlossenen Naßturm unterteilt ist, in dem das Kühlwasser des Kühlwasserkreis­ laufs der Kältemaschine direkt durch Verrieselung abgekühlt wird.

Durch diese erfindungsgemäße Trennung des Trockenteils und des Naßteils des erfindungsgemäßen Klimakühlturms ergibt sich zunächst die Möglichkeit im Naßbetrieb eine Kühlwasserablauftemperatur nahe der Feuchtlufttemperatur zu erreichen, da beim erfindungsgemäß direkt verrieselten Kühlwasser nicht erst ein zusätzlicher Wärmeübergang statt­ finden muß, wie er zwischen dem verrieselten Wasser im Naßkühlturm und den metallischen Wandungen der Rohrschlange zum eigentlichen Kühlwasser der Kältemaschine bei herkömm­ lichen Anlagen erforderlich ist. Die Trennung des Trocken­ teils und des Naßteils ermöglicht neben der Erzielung einer ausreichend tiefen Kaltwasseraustrittstemperatur im Freikühlerbetrieb auch einen vorteilhaften Kombinationsbe­ trieb, der in den Übergangsjahreszeiten in denen ein reiner Freikühlerbetrieb nicht mehr möglich ist, eine erhebliche zusätzliche Einsparung gegenüber dem reinen Naßbetrieb mit sich bringen kann.

Neben dem Vorsehen eines an sich bekannten Luftfilters vor dem Lufteinlaß des Freikühlers ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß hinter dem Freikühler ein erster Luftnacherhitzer angeordnet ist. Dieser Luftnacherhitzer ermöglicht eine besonders vorteilhafte Ausnutzung der im Trocken- bzw. Naßteil des Klimaturms erwärmten Kühlluft, die im Naßteil nahezu bis 100% relative Feuchte befeuchtet wird, zur vollen Nutzung der rückgewonnenen Wärme und Be­ feuchtung zur Klimatisierung. Über den genannten ersten Luftnacherhitzer kann im Teillastbetrieb des Naßteils, wenn also nicht ausreichend viel Wärme von der Kältemaschine an den Naßteil des Kühlturms und damit an die Kühlluft abgegeben wird, die fehlende Wärme aus dem Heizsystem nachgeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgese­ hen sein, daß an den Luftauslaß des Naßturms eine mit einem vorgeschalteten zweiten Luftnacherhitzer versehene Zu­ luftkammer für die Gebäudeklimatisierung angeschlossen ist, wobei mit besonderem Vorteil dem Naßturm und der Zuluftkam­ mer eine mit einem zusätzlichen Fortluftauslaß versehene Mischkammer zugeordnet ist, in die neben dem Luftauslaß des Naßturms eine direkt mit dessen Lufteinlaßseite verbundene Bypassleitung mit regelbarem Luftdurchsatz einmündet, so daß je nach der Luftmengenbilanz die aufbereitete Kühlluft als Zuluft, als Mischluft oder als Fortluft über geeignete Klappensteuerungen verteilt werden kann. Über den erwähnten zweiten Luftnacherhitzer kann jeder gewünschte Endzustand im Behaglichkeitsbereich durch Zufuhr fehlender Wärme aus dem Heizsystem erreicht werden.

Weitere Vorteile, und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines als Klimaturm zur gleichzeitigen Verwendung bei der Gebäude­ klimatisierung verwendbaren Trocken-/Naß- Kühlturms für Anlagen zur Erzeugung von Kalt­ wasser.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kaltwasser­ erzeugungsanlage mit indirekter Prozeßwasserkühlung mit einem Kühlturm nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kaltwasser­ erzeugung mit direkter Prozeßwasserkühlung unter Verwendung eines Klimakühlturms nach Fig. 1,

Fig. 4 ein i-x- (Enthalpie-Temperatur-) Diagramm für feuchte Luft zur Ausnutzung bei der Gebäudekli­ matisierung im Winterbetrieb,

Fig. 5 ein der Fig. 4 entsprechendes i-x-Diagramm für Sommerbetrieb,

Fig. 6 ein i-x-Diagramm für den Übergangsbetrieb im Frühling und Herbst,

Fig. 7 eine Darstellung der Freikühlerleistung am Beispielfall einer Kältemaschinenleistung von 654 kW,

Fig. 8 ein Diagramm der Erhöhung der Freikühlung, bzw. die Ersparnis an elektrischer Antriebsarbeit, wiederum am Beispielfall einer Kältemaschinen­ leistung von 654 kW,

Fig. 9 ein Diagramm der maximal erzielbaren Wärmerück­ gewinnungsleistung und

Fig. 10 ein Diagramm der maximalen Wärmerückgewinnung.

Der in Fig. 1 gezeigte wegen seiner zusätzlichen Einset­ zbarkeit bei der Gebäudeklimatisierung als Klimakühlturm bezeichnete Trocken-/Naßkühlturm besteht aus einem Freiküh­ ler 1 mit vorgeschaltetem Luftfilter 2 und einem ersten nachgeschalteten Luftnacherhitzer 3. Der Freikühler 1 weist dabei einen eigenen Kaltwasserkreislauf auf, dessen Ein- und Auslässe mit 4 bzw. 5 angedeutet sind, wobei zur Ver­ hinderung eines Einfrierens bei reinem Freikühlerbetrieb anstelle von reinem Wasser ein Wasser-Glykol-Gemisch für den Kühlwasserkreislauf verwendet wird. Die in Richtung des Pfeils 6 eintretende Frischluft wird nach Durchsetzen des Freikühlers 1 und des ersten Luftnacherhitzers über einen Ventilator 7 einmal durch den Naßturm 8 geblasen und zum anderen wahlweise durch Klappen 9 gesteuert direkt über eine Bypassleitung 10 zu einer hinter dem Naßturm angeord­ neten Mischkammer 11. Die Bezugszeichen 12 und 13 bezeich­ nen die Zuführöffnung bzw. die Abführöffnung für das Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufes einer Kältemaschine, wobei dieses Kühlwasser direkt im Naßturm 8 von oben nach unten quer zur Kühlluft verrieselt wird, so daß Kühlluft und das Kühlwasser in direkten Kontakt miteinander treten und nicht ein Phasenübergang über Rohrwandungen von Wärmetauscherschlangen erforderlich ist. Die aus dem Naß­ teil austretende Kühlluft kann, wie im nachfolgenden noch näher beschrieben werden soll, in der Mischkammer 11 mit der vom Freikühler kommenden Kühlluft vermischt werden, um entweder gegebenenfalls nochmals durch einen zweiten Luft­ nacherhitzer 14 der Luftkammer 15 nachgeheizt und von dort aus der Gebäudeklimatisierung als Zuluft 16 zugeführt zu werden, oder aber um als Fortluft über Dach über einen Luftauslaß 17 abgegeben zu werden.

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Kalt­ wassererzeugung mit indirekter Prozeßwasserkühlung mit Hilfe eines Klimakühlturms nach Fig. 1, wobei selbstverständlich für die eigentliche Kaltwasser­ erzeugung die Luftmischeinrichtungen sowie der zweite Luft­ nacherhitzer und die Zuluftkammer nicht von Bedeutung sind, so daß sie zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 2, ebenso wie bei der abgewandelten Kaltwassererzeugungsanlage nach Fig. 3 gar nicht erst mit dargestellt sind.

Im reinen Sommerbetrieb erfolgt die Kaltwassererzeugung bei der Anlage nach Fig. 2 über den Verdampfer einer wassergekühlten Kältemaschine 20, deren Kondensator 21 mit Kühlwasser aus dem Naßteil des kombinierten Trocken-Naß- Kühlturms auf 25 bis 27°C gekühlt wird. Bei allen Trocken­ temperaturen der Umgebungsluft bis herab zu ca. 10°C kann die vorteilhafte tiefe Kühlwassertemperatur durch den bekannten Einsatz eines elektronisch geregelten Kältemit­ telexpansionsventils 22 genutzt werden. Dies ergibt über die Jahreszeit eine entsprechende Ersparnis am Antrieb des Kompressors 23 der Kältemaschine infolge der tieferen Kühlwassertemperatur des Kühlwassers am Ausgang des Naßturms 8 gegenüber sonstigen bekannten Systemen, wie z. B. berieselter, geschlossener Kühltürme, deren Ablauftemper­ atur in der Regel um 3°C höher liegt.

In der kalten Jahreszeit kann mit dem Trockenteil des Kühlturms bekanntermaßen Kaltwasser ohne Einsatz der Käl­ temaschine gewonnen werden. Hierzu mußte bisher aber der Kaltwassersatzbetrieb abgeschaltet werden. Die Trennung in Trockenteil, also den Freikühler 1 und Naßteil, also den Naßturm 8, wie sie vorgesehen ist, erlaubt demgegenüber auch den gleichzeitigen Betrieb beider Sys­ teme, so daß bereits eine geringe Freikühlerleistung die zu erzeugende Kältemaschinenleistung verringert. Das Kühlsys­ tem des Trockenteils, also des Freikühlers 1 wird aus Frostschutzgründen mit Glykol-Wasser-Gemisch gefahren, damit ein Einfrieren verhindert wird. Um Umweltschädigungen durch den Glykolanteil zu vermeiden, wird in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kaltwassererzeu­ gungsanlage die Kälte vom Freikühler über einen Wärmetauscher 24 auf einen Primär-Kaltwasserkreislauf 25 mit dem eigentlichen Kaltwasserverbraucher 26 übertragen.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Kaltwassererzeu­ gungsanlage mit indirekter Prozeßwasserkühlung nach Fig. 2 für geschlossene Systeme, bei denen eine Umweltbelastung durch Glykol auszuschließen ist, so daß es des Wärmetausch­ ers 24 nicht bedarf. Ansonsten sind in Fig. 3 die mit den Bauteilen der Anlage nach Fig. 2 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden, insbeson­ dere auch das Kühlwasserbecken 18a für den Kühlwasserkreis­ lauf 18 und die in diesen Kühlwasserkreislauf angeordnete Pumpe 18b. Über motorgesteuerte Armaturen 27a des Kalt­ wasserkreises 27 bzw. 25 kann über die Abhängigkeit der Umgebungstemperatur der Freikühlerkreis 27 abgetrennt wer­ den, um eine ungewollte Aufheizung durch den Freikühler 1 zu vermeiden.

Fig. 7 zeigt für den Beispielfall einer Kälteleistung von 654 kW die erzielbare Freikühlerleistung in Abhängigkeit der Trockenlufttemperatur der Umgebung für 6°C bzw. 10°C Kaltwasseraustritt und die statistisch ermittelte Häu­ figkeitsverteilung der Jahresstunden.

Fig. 8 zeigt in Abhängigkeit der Trockenlufttemperatur der Umgebung für 6°C bzw. 10°C Kaltwasseraustritt für den Beispielfall mit 654 kW Kälteleistung die erzielbare Arbeit durch Freikühlung im Trockenteil des Klimaturmes. Der An­ teil W_F′ ist der mit bekannten Systemen erzielbare Anteil der Freikühlung ab einer gewissen ausreichenden Kälteleis­ tung. Der Anteil W_F′′ ist der Gewinn an Arbeit durch Freikühlung, wenn wie beschrieben, der kombinierte Betrieb im Trocken- und Naßteil des Klimaturmes ermöglicht wird. Über die Leistungsziffer der Kältemaschine ist die Erspar­ nis an elektrischer Arbeit zu ermitteln.

Die Ersparnis an elektrischer Arbeit durch Nutzung der tieferen Kühlwasserablauftemperatur im Naßteil über die gesamte Jahreszeit stellt den Anteil W_N dar.

Fig. 9 zeigt für den Beispielfall mit 654 kW Kälteleistung die erzielbare maximale Wärmerückgewinnungsleistung in Ab­ hängigkeit der Freikühlerablauftemperatur von 6 bzw. 10°C, aufgetragen über der Trockentemperatur der Umgebung, wenn mit einer nutzbaren Kühlluftmenge von 72.560 m³/h ausgelegt wird.

Aus Fig. 10 geht die Wärmerückgewinnung in MWh/a aus der Frei- und Naßkühlung für den Beispielfall, aufgetragen über die Trockentemperatur der Umgebung hervor.

Die Außenluft wird vor Eintritt über ein Luftfilter filtri­ ert, um Leistungsminderungen durch Verschmutzung des Freikühlers und des nachgeschalteten Berieselungsteiles des Kühlturmes zu vermeiden und um die erforderliche Reinheit für die Verwendung zur Gebäudeklimatisierung aufzuweisen.

Vorteilhafterweise wird im Winterbetrieb die Kühlluft im Trockenteil bereits erwärmt, so daß das Einfrieren des nachgeschalteten Naßturmes bis herab zu ca. 10°C Wasser­ ablauftemperatur sicher vermieden wird.

Der Naßturm des Klimaturmes muß bekanntermaßen zur Vermei­ dung von Ablagerungen und Bakterien- bzw. Algenwachstum durch eine entsprechende Wasseraufbereitung versorgt wer­ den.

Die zusätzliche Ausnutzbarkeit des mit einem getrennten Trockenteil an einem getren­ nten Naßteil ausgebildeten Klimakühlturms für die Gebäude­ klimatisierung wird im nachfolgenden anhand der Fig. 4 bis 6 beschrieben.

Im Winterbetrieb wird die Frischluft vom Zustand A im Trockenteil des Klimaturms, dem sog. Freikühler 1, auf den Zustand B erwärmt, wobei gleichzeitig ein Wasser-Glykol- Gemisch (34% Glykolanteil als Frostschutz) in der kalten Jahreszeit auf entsprechend tiefe Temperaturen abgekühlt wird. Um den Anteil dieser im Freikühler 1 erzeugten Käl­ teleistung sinkt die Kälteleistung, die sonst über einen Kaltwassersatz erzeugt werden muß und mindert die um die Leistungsziffer verminderte elektrische Antriebsleistung des Kältemittelkompressors 23.

Bei Vollast des Naßteiles vom Klimaturm, also des Naßturms 8, wird die Kühlluft vom Zustand B durch den direkten Stoff- und Wärmeaustausch und der damit übertragenen sensi­ blen und latenten Wärme auf den Austrittszustand D ge­ bracht. Das Temperaturniveau liegt hierbei um ca. 10 bis 15°C höher als bei bekannten Wärmerückgewinnungssystemen unter gleichzeitiger Befeuchtung der Kühlluft auf ca. 10 g Wasser pro kg Luft. Die so gewonnene Kühlluft kann z. B. durch Nacherhitzen vorteilhaft auf Zustände im gestrichelt umrahmten Behaglichkeitsbereich, z. B. auf Zustand E, ange­ hoben werden.

Bei Teillastbetrieb des Naßturms, je nach angeforderter Kälteleistung am Kaltwassersatz, wird die aus dem Freikühler aus tretende vorgewärmte Kühlluft vom Zustand B über den Nacherhitzer 1 auf den Zustand C′ in Abhängigkeit der Aus­ trittstemperatur des Zustandspunktes D angehoben, während die Zustandsänderung von C′ nach D über die Teillast des Naßteiles vom Kühlturm erfolgt. Bei fehlender Kühlleistung im Naßteil wird die Kühlluft vom Zustand B bis auf den Zus­ tand C durch den Nacherhitzer 1 nachgewärmt. Der Naßteil des Kühlturmes arbeitet dann nur noch als adiabatischer Be­ feuchter und befeuchtet die Kühlluft bis zum Zustand D, na­ hezu bis 100% r. F.

Der Austrittszustand D aus dem Naßturm kann durch Beimis­ chen der trockenen Kühlluft vom Zustand B über eine Bypass- Steuerung in Abhängigkeit der relativen Feuchte von Punkt E′ in den Mischzustand D′ überführt werden, so daß durch den zweiten Luftnacherhitzer 14 der gewünschte Endpunkt E′ erreicht werden kann. Der Ventilator 7 und der Freikühler 1 sind für diese zusätzliche Luftmenge auszulegen.

Wird keine Freikühlung benötigt und auch keine Kälteleis­ tung erzeugt, übernimmt der erste Luftnacherhitzer 3 die Zustandsänderung der Luft von A bis C.

Auf diese Weise wird die über den Freikühler 1 am Kalt­ wassersatz zu erzeugende Kälteleistung reduziert, die über­ tragene Wärme am Freikühler und im nachgeschalteten Naßteil bei gleichzeitiger Befeuchtung der Kühlluft zurückgewonnen und kann idealerweise zur Gebäudeklimatisierung genutzt werden.

Im Sommerbetrieb (vgl. Fig. 5) wenn keine Freikühlung genutzt werden kann, wird die Luft vom Umgebungszustand A = B im Naßteil des Kühlturmes auf den Zustand D gebracht. Die Kühlluft mit diesem Zustand wird in die Umgebung abgeführt.

Über ein entsprechend dimensioniertes Sommer-Zu- und Abluftgerät wird die angesaugte Außenluft von Zustand A mit dem Raumluftzustand R zu Mischluftzustand A′ überführt, von dort durch Kühlung D′ erreicht und durch Nachheizung der Zuluftzustand Z erzeugt.

Die Fig. 6 zeigt das i-x-Diagramm für Übergangsbetrieb. In der Übergangszeit, z. B. bei + 10°C, wird keine Freiküh­ lerleistung für Wasser von z. B. 6°C möglich. Der Außen­ luftzustand A = B wird im Naßteil des Kühlturms auf Zustand D angehoben. Über die Bypass-Steuerung wird durch Beimis­ chen der trockenen Kühlluft in Abhängigkeit der relativen Feuchte der Mischzustand D′ oder D′′ erreicht. Nicht benötigte Kühlluft vom Zustand D wird ins Freie geführt.

Zusammengefaßt ergeben sich durch die Aus­ bildung eines Klimakühlturms und seine aufgrund des beson­ deren Aufbaus bestehenden Betriebsmöglichkeiten folgende Vorteile:

• 1. Einsparung an elektrischer Energie durch kombinierten Freikühlerbetrieb zur Erzeugung von Kaltwasser.
• 2. Einsparung an elektrischer Energie durch tiefere Kon­ densationstemperaturen bei der Naßkühlung.
• 3. Einsparung an Heizwärme, dadurch, daß die sensible Freikühlerleistung im Trockenteil des Kühlturmes und die sensible und latente Wärme im Naßteil des Kühlturmes voll zurückgewonnen werden, wenn die Küh­ lluft zur Gebäudeklimatisierung verwendet wird. Vorteilhafterweise wird im Naßteil des Kühlturmes die Befeuchtung der Kühlluft sozusagen kostenlos vorgenom­ men.
• 4. Durch die Vor- und Nachwärmung sowie durch die Bypass­ führung kann jeder Betriebszustand im Behaglichkeits­ bereich erreicht werden.

Claims (5)

1. Klimakühlturm für Anlagen zur Kaltwassererzeugung in welchem durch Außenluft und/oder Wasserverrieselung Wärme aus dem Kalt- und Kühlwasserkreislauf einer Käl­ temaschine abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Freikühler (1) mit einem eigenen vorzugsweise mit einem Wasser-Glykol-Gemisch be­ triebenen, Kaltwasserkreislauf (27) und einen über einen Ventilator (7) an den Luftaustritt des Freiküh­ lers (1) angeschlossenen Naßturm (8) unterteilt ist, in dem das Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufs (18) der Kältemaschine (20) direkt durch Verrieselung abgekühlt wird.

2. Klimakühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lufteinlaß des Freikühlers (1) ein Luft­ filter (2) angeordnet ist.

3. Klimakühlturm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Freikühler (1) ein er­ ster Luftnacherhitzer (3) angeordnet ist.

4. Klimakühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Luftauslaß des Naß­ turms (8) eine mit einem vorgeschalteten zweiten Luft­ nacherhitzer (14) versehene Zuluftkammer (15) für die Gebäudeklimatisierung angeschlossen ist.

5. Klimakühlturm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Naßturm (8) und der Zuluftkammer (15) eine mit einem zusätzlichen Fortluftauslaß (17) versehene Misch­ kammer (11) zugeordnet ist, in die neben dem Luftaus­ laß des Naßturms (8) eine direkt mit dessen Luftein­ laßseite verbundene Bypassleitung (10) mit regelbarem Luftdurchsatz einmündet.