DE60020429T2

DE60020429T2 - Wärmeaustauschsystem mit geschlossenem Kreislauf und Verfahren mit niedrigem Wasserverbrauch

Info

Publication number: DE60020429T2
Application number: DE60020429T
Authority: DE
Inventors: Branislaw Columbia Korenic; Thomas P. Olney Carter
Original assignee: Baltimore Aircoil Co Inc
Current assignee: Baltimore Aircoil Co Inc
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: ZA200001026B; KR100373314B1; AU2069800A; CN1267817A; CA2300234A1; EP1477756A1; EP1035396A3; DE00301892T1; HUP0000949A2; JP2000274993A; EP1035396A2; TW438961B; HU0000949D0; US6142219A; EP1035396B1; KR20000062727A; CA2300234C; CN1171071C; IL134309A0; AU760077B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauschersystem zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid und insbesondere auf Verdampfungswärmetauscher mit geschlossenem Kreis und Verdampfungswärmetauscher mit kombiniertem direktem und indirektem geschlossenem Kreis, und auf ein Verfahren zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid.
Abwärme kann durch trockene Wärmetauscher oder durch Eigenwärmetauscher in die Umgebung ausgestoßen werden. Bei einem trockenen Wärmetauscher oder einem Eigenwärmetauscher gibt es zwei Fluide: einen Luftstrom und einen Prozessfluid-Strom. Bei einem geschlossenen System ist der Prozessfluid-Strom derart umschlossen, dass kein direkter Kontakt zwischen dem Luftstrom und dem Prozessfluid-Strom stattfindet; der Prozessfluid-Strom ist zur Umgebung hin nicht offen. Die Umschließungsstruktur kann eine Rohrschlange sein. Eigenwärme wird ausgetauscht, wenn der Luftstrom über die den Prozessfluid-Strom einschließende Struktur geführt wird. Im Stand der Technik sind diese Strukturen als "kompakte Wärmetauscher" bekannt.
Gegenüber trockenen Wärmetauschern bieten Verdampfungswärmetauscher in den meisten Klimas beachtliche Verbesserungen an Prozesseffizienz. Ein Typ eines Verdampfungswärmetauschers ist ein direkter Verdampfungswärmetauscher. Ein direkter Wärmetauscher umfasst nur einen Luftstrom und einen Strom verdampfbarer Flüssigkeit; der Strom verdampfbarer Flüssigkeit ist im Allgemeinen Wasser, und die beiden Ströme treten direkt miteinander in Kontakt.
Ein anderer Typ eines Verdampfungswärmetauschers ist ein Verdampfungswärmetauscher mit einem indirekten geschlossenen Kreis, welcher drei Fluidströme umfasst: einen Luftstrom, einen Strom verdampfbarer Flüssigkeit und einen umschlossenen Prozessfluid-Strom. Zuerst tauscht der umschlossene Prozessfluid-Strom mit der verdampfbaren Flüssigkeit durch eine indirekte Wärmeübertragung Eigenwärme aus, da dieser nicht direkt mit der verdampfbaren Flüssigkeit in Kontakt tritt, und anschließend tauschen der Luftstrom und die verdampfbare Flüssigkeit Wärme und Masse aus, wenn sie miteinander in Kontakt treten.
Ein anderer Typ eines Verdampfungswärmetauschers ist ein Verdampfungswärmetauscher mit kombiniertem direktem und indirektem geschlossenem Kreis. Beispiele von kombinierten Systemen sind im US Patent Nr. 5,390,502, gegenüber dem die Ansprüche 1 und 7 abgegrenzt sind, in den US Patenten Nrn. 5,435,382 (1995) und 5,816,318 (1998) von Carter und in der EP-A-0 811 819 offenbart.
Sowohl trockene als auch Verdampfungswärmetauscher werden üblicherweise als Kühler oder Kondensor zum Ausstoßen von Wärme verwendet. Verdampfungskühler stoßen Wärme bei Temperaturen aus, welche sich den niedrigeren Umgebungs-Feuchtkugeltemperaturen nähern, wohingegen trockene Kühlvorrichtungen auf die Annäherung an die höheren Umgebungs-Trockenkugeltemperaturen beschränkt sind. In vielen Klimas liegt die Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur oft 20 bis 30°F unter der Auslegungs-Umgebungs-Trockenkugeltemperatur. Daher kann der verdampfbare Flüssigkeitsstrom bei einem Verdampfungskühler eine Temperatur erreichen, die bedeutend niedriger ist als die Umgebungs-Trockenkugeltemperatur, was die Möglichkeit bietet, die Effizienz des Kühlvorgangs zu erhöhen und den Gesamtbedarf an Prozessenergie zu senken. Verdampfungskondensoren bieten ähnliche Möglichkeiten für erhöhte Effizienz und niedrigeren Energiebedarf. Trotz dieser Möglichkeiten, die Prozesseffizienz zu erhöhen und den Gesamtbedarf an Prozessenergie zu senken, werden das Verdampfungskühlen und das Verdampfungskondensieren aufgrund von Bedenken bezüglich des Wasserverbrauchs beim Verdampfen der verdampfbaren Flüssigkeit und des Gefrierpotentials während des Betriebs bei kaltem Wetter oft nicht verwendet.
Zusätzlich sind sowohl Eigenwärmetauscher als auch Verdampfungswärmetauscher typischerweise derart bemessen, dass sie das geforderte Wärmeausstoß-Soll auch zu Zeiten größter thermischen Schwierigkeiten erzielen. Diese Auslegungsbedingung wird typischerweise als die Sommerauslegungs-Feuchtkugel- oder -Trockenkugeltemperatur ausgedrückt. Obwohl es oft kritisch ist, dass die Wärmeausstoßgeräte die erforderliche Wärmemenge bei diesen Auslegungsbedingungen ausstoßen können, kann die Dauer dieser erhöhten Umgebungs-Temperaturen nur etwa 1 % der Betriebsstunden der Geräte betragen. Da die Geräte in der verbleibenden Zeit mehr Kapazität als erforderlich aufweisen können, führt dies zu einer Vergeudung von Energie und verdampfbarer Flüssigkeit.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Wärmetauschersystem und Wärmetauschverfahren zum Extrahieren von Wärme vor, wie durch Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 festgelegt, und zielt auf eine Wärmeextraktion mit der Effizienz von Verdampfungswärmetausch unter Einsparung verdampfbarer Flüssigkeit ab.
Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
1 eine Seitenansicht eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Tauschers zu erläutern;
1a eine vergrößerte Perspektivansicht eines Abschnitts des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts ist, die den Einlassströmungspfad zum zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt und den Prozessfluid-Bypassströmungspfad vom indirekten Wärmetauschabschnitt zeigt;
2a ein schematisches Temperaturprofil ist, welches die Änderung der Temperatur des Prozessfluids und des Luftstroms zeigt, wenn der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung in einem ersten trockenen Modus betrieben wird;
2b ein schematisches Temperaturprofil ist, welches die Änderung der Temperatur des Prozessfluids und des Luftstroms zeigt, wenn der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Modus mit adiabatischer Sättigung betrieben wird;
2c ein schematisches Temperaturprofil ist, welches die Änderung der Temperatur des Prozessfluids, des Luftstroms und der verdampfbaren Flüssigkeit zeigt, wenn der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung in einem dritten Modus mit modulierter Prozessfluid-Strömung betrieben wird;
3a ein typisches Jahrestemperaturprofil einer ausgewählten Stadt ist, welches sowohl die Trockenkugel- als auch die Feuchtkugeltemperaturen zeigt und den Betrieb des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung in jedem seiner Betriebsmodi erläutert;
3b ein Graph ist, welcher den Wasserverbrauch eines herkömmlichen Verdampfungskühlturms mit geschlossenem Kreis mit dem erwarteten Wasserverbrauch der vorliegenden Erfindung vergleicht;
4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Wärmetauschers zu erläutern;
5 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Wärmetauschers zu erläutern;
6 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Wärmetauschers zu erläutern;
7 eine Perspektivansicht einer trockenen indirekten Kontaktwärmetauschvorrichtung oder eines Kompaktwärmetauschers ist, welcher im Wärmetauscher mit geschlossenem Kreis der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
8 eine Vorderansicht eines einzelnen schlangenlinienförmigen Kreises ist, der im zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
9 eine Seitenansicht des zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt ist, der im Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
10 eine Vorderansicht des zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt ist, welche die gestaffelte Beziehung zwischen benachbarten Kreisen und der Anordnung der Einlassköpfe und Auslassköpfe zeigt;
11 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Wärmetauschers zu erläutern, wobei die Verwendung der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung in einem Kondensor erläutert wird;
12 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wärmetauschersystems mit geschlossenem Kreis ist, bei welcher Teile schematisch gezeigt sind und ein Teil des Gehäuses des Wärmetauschergeräts entfernt ist, um das Innere des Wärmetauschers zu erläutern, wobei eine weitere Ausführungsform eines Kondensors erläutert wird;
13 eine schematische Perspektivansicht der Außenseite eines Wärmetauschers ist, der die Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung einschließt; und
14 eine schematische, aus einer gegenüberliegenden Ecke des Wärmetauschers genommene Perspektivansicht einer weiteren Außenseite des Wärmetauschers von 13 ist.
Eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschersystems 8 ist in 1 erläutert. Das System 8 schließt ein Wärmetauschergerät 10 zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid ein. Das Wärmetauschersystem 8 schließt einen Prozessfluid-Einlass 12 ein, der zum Empfangen von Prozessfluid von einer äußeren Vorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise von Herstellungsprozessgerät, angeschlossen ist. Nachdem die Wärme vom Prozessfluid in das Wärmetauschergerät 10 ausgestoßen worden ist, tritt das Prozessfluid durch einen Prozessfluid-Auslass 14 aus.
Das Prozessfluid kann beispielsweise eine einphasige Flüssigkeit umfassen, wie beispielsweise Wasser, welche bei einer Temperatur durch den Einlass 12 empfangen und bei einer niedrigeren Temperatur durch den Auslass 14 ausgetragen wird. Alternativ kann das Prozessfluid ein einphasiges Gas umfassen, welches bei einer Temperatur durch den Einlass 12 empfangen und bei einer niedrigeren Temperatur durch den Auslass 14 ausgetragen wird. Daher kann das Wärmetauschersystem ein Fluidkühlungssystem umfassen. In den 1 und 4 – 6 ist ein Fluidkühlungssystem erläutert. Das Wärmetauschersystem 8 kann auch ein Kondensierungssystem umfassen, in welchem Fall das Prozessfluid beim Einlass 12 ein zweiphasiges oder ein mehrphasiges Fluid umfassen kann, welches als eine einphasige Flüssigkeit oder als Gemisch aus Flüssigkeit und Gas für ein mehrphasiges Fluid vom Auslass 14 ausgetragen wird. In den 11 – 12 ist ein Fluidkondensierungssystem erläutert. Es versteht sich, dass diese Beispiele von Prozessfluiden nur zu Erläuterungszwecken vorgesehen sind und dass die Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ oder eine bestimmte Phase von Prozessfluid beschränkt ist, außer wenn es in den Ansprüchen ausdrücklich angegeben wird.
Das erläuterte Wärmetauschergerät 10 ist ein Wärmetauscher mit geschlossenem Kreis. Das Prozessfluid ist zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 derart eingeschlossen, dass das Prozessfluid der Umgebung nicht ausgesetzt wird und dass kein direkter Kontakt zwischen dem Prozessfluidstrom und irgendeinem Strom von Luft oder von verdampfbarer Flüssigkeit innerhalb des Geräts 10 stattfindet.
Die Wärmetauschersysteme 8 der 1, 4 – 6 und 11 – 12 erläutern verschiedene Elemente innerhalb der Grenzen der Wärmetauschergeräte 10 und außerhalb der Wärmetauschergeräte. Es versteht sich, dass die verschiedenen Elemente des nachstehend beschriebenen Systems, falls nicht anderweitig beschrieben, innerhalb oder außerhalb des Wärmetauschergeräts angeordnet werden können. Der Begriff "Wärmetauschersystem", wie er hierin und in den Ansprüchen verwendet wird, sollte weit ausgelegt werden, um sowohl Wärmetauschergeräte einzuschließen, welche die Merkmale innerhalb der Grenzen des Geräts einschließen, als auch Wärmetauschersysteme, welche einige der Elemente innerhalb eines Wärmetauschergeräts und einige der Elemente außerhalb des Geräts einschließen, als auch Wärmetauscher systeme, welche mehr als ein Wärmetauschergerät verwenden; das Bezugszeichen 8 wird hierin allgemein in Bezug auf das Wärmetauschersystem verwendet.
Das Wärmetauschersystem 8 der Ausführungsform von 1 schließt einen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 ein. Dieser trockene Abschnitt 16 weist eine Lufteinlassseite 18, eine Luftauslassseite 20 und einen in 1 allgemein bei 22 gezeigten Prozessfluidkreis auf. Wie in 7 gezeigt, schließt der erläuterte Fluidkreis 22 einen Einlasskopf 24, einen Auslasskopf 25 und eine Mehrzahl von Rohren 26 ein, wobei jedes Rohr eine Mehrzahl von Rippen 27 aufweist, die mit der Außenseite des Rohrs verbunden sind. Der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 kann eine im Handel erhältliche, äußerlich mit Rippen versehene Wärmeübertragungs-Rohrschlange umfassen, die von Super Radiator Coils aus Richmond, Virginia als Teil 48×69-6R-5CW-L-R mit 5/8 Inch × 0,020 Inch-Wandungs-Kupferrohren und 0,008 Inch-Aluminiumrippen (flach) mit 24 Kreisen verkauft wird, wie in 7 erläutert. Es versteht sich, dass diese Wärmeübertragungs-Rohrschlange nur zu Erläuterungszwecken aufgezeigt ist und dass die Erfindung nicht auf diese bestimmte Wärmeübertragungs-Rohrschlange beschränkt ist. Von solchen im Handel erhältlichen Rohrschlangen können zwei oder mehrere in Reihe oder parallel verbunden sein, um den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zu bilden. Die 1 und 11 – 12 zeigen zwei solche Rohrschlangen in paralleler Anordnung. Die Kombination der Rohrschlangen kann aufgrund der Produktgröße variieren.
Es versteht sich, dass andere äußerlich mit Rippen versehene Strukturen verwendet werden können, wie beispielsweise Rohre mit spiralförmig umwickelten, äußeren Rippen, oder jede beliebige als "Kompaktwärmetauscher" eingestufte Kombination; die als trockener indirekter Wärmetauschabschnitt gezeigte Struktur ist nur beispielhaft vorgesehen. Bei Wärmetauschersystemen, die beispielsweise in den 1 und 4 gezeigt sind, kann es wünschenswert sein, dass die trockenen Wärmetauscher-Rohrschlangen derart strukturiert sind, dass der Druckabfall über die Rohrschlangen optimiert wird. Der vordere Bereich des trockenen Wärmetauschabschnitts kann beispielsweise durch die Luftströmung optimiert werden, um einen wirtschaftlichen und effizienten Betrieb vorzusehen. Jeder beliebige, im Handel erhältliche Typ von Rohrschlangenanordnung mit äußeren und/oder inneren Rippen kann verwendet werden, wie beispielsweise Rohrschlangen mit beispielsweise kreis- oder sichelförmigen Rippen, sowie auch jeder beliebige andere Typ von Wärmetauscher, der im trockenen Modus arbeitet, obwohl der Wärmetauscher derart strukturiert sein sollte, dass kein übermäßiger Druckabfall stattfindet. Vor den äußeren Rippen wird erwartet, dass sie die Betriebseffizienz des trockenen Wärmetauschabschnitts 16 bei einem minimalen, notwendigen luftseitigen Druckabfall erhöhen.
Zur Ergänzung des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 ist ein zweiter indirekter Kontaktwärmetauschabschnitt 28 vorgesehen; dieser zweite Abschnitt 28 ist wahlweise entweder für den trockenen Wärmetausch oder für den Verdampfungswärmetausch betreibbar. Der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 schließt eine Lufteinlassseite 30, eine Luftauslassseite 32 und einen Prozessfluidkreis 34 ein. Der Prozessfluidkreis 34 des erläuterten zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 umfasst einen einzelnen Rohrschlangenaufbau 36 des im U.S. Patent Nr. 5,435,382 beschriebenen und gezeigten Typs. Wie in den 8 – 10 gezeigt, weist der Rohrschlangenaufbau 36 eine im Allgemeinen rechteckige Gestalt auf mit einer Serie von waagrechten, nahe beabstandeten, parallelen Kreisen 38 in schlangenlinienförmiger Gestalt. Alle diese Kreise 38 weisen ein mit einem oberen Fluidkopf 40 verbundenes oberes Ende und ein mit einem unteren Fluidkopf 42 verbundenes unteres Ende auf. Bei der ersten erläuterten Ausführungsform umfasst der untere Fluidkopf 42 den Einlasskopf und umfasst der obere Fluidkopf 40 den Auslasskopf, wenn das Wärmetauschersystem als Fluidkühlvorrichtung verwendet wird. Die Einlass- und Auslassköpfe 42, 40 können umgekehrt werden, falls das Wärmetauschersystem als Kondensor anstatt als Fluidkühlvorrichtung verwendet wird, wie in den 11 – 12 erläutert. Die Köpfe 40, 42 und die schlangenlinienförmigen Kreise 38 umfassen zusammen den Prozessfluidkreis 34 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28.
Wie es in den U.S. Patenten Nrn. 5,435,382 und 5,816,318 offenbart und in den 8 – 10 gezeigt ist, ist jeder einzelne Kreis 38 innerhalb des Rohrschlangenaufbaus 36 aus einer einzelnen durchgehenden Länge von Rohrschlangenmaterial gebildet, welches einem Biegevorgang unterzogen wird, durch welchen das Rohrmaterial in verschiedene U-förmige Reihen A – E geformt wird, die sich in einer senkrechten, gleichmäßig beabstandeten Beziehung zueinander befinden und dabei jeden Kreis 38 mit einer daraus hervorgehenden, schlangenförmigen Gestalt versehen.
Die Rohrschlange des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts weist vorzugsweise eine maximale trockene und feuchte Leistung und einen niedrigen Fluiddruckabfall auf. Der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 kann Stahlrohrmaterial in einem Stahlrahmen umfassen, beispielsweise wie jene, die in den im Handel erhältlichen Kühltürmen mit geschlossenem Kreis der Serie 1500 und den Verdampfungskondensoren der Serie 1500 verwendet sind, die bei Baltimore Aircoil Company in Baltimore, Maryland erhältlich sind. Es versteht sich, dass auch andere Strukturen für den zweiten Verdampfungswärmetauschabschnitt 28 verwendet werden können. Für eine bessere Effizienz beim Betrieb im trockenen Modus könnten die Rohre der Rohrschlange beispielsweise äußerlich mit Rippen versehen sein, oder können die Rohre innerlich mit Mikrorippen oder ähnlichen im Stand der Technik bekannten Anordnungen versehen sein.
Wie in 1 gezeigt, schließt das Wärmetauschersystem 8 auch ein Verteilersystem 46 zum wahlweisen Verteilen einer verdampfbaren Flüssigkeit an den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 für einen wahlweise trockenen Wärmetausch und einen Verdampfungswärmetausch im zweiten Verdampfungswärmetauschabschnitt ein. In der ersten erläuterten Ausführungsform schließt dieses Verteilersystem 46 eine Mehrzahl von Sprühdüsen 48 ein, die über dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 angeordnet sind. Die Sprühdüsen 48 sind mit einem über dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt angeordneten Verteilerrohrleitungssystem 50 verbunden, welches mit einer senkrechten Verteilerrohrleitung 52 verbunden ist. Diese senkrechte Verteilerrohrleitung 52 ist mit einer Pumpe 54 verbunden, welche zum Ziehen von verdampfbarer Flüssigkeit aus einem Sumpf 56 angeschlossen ist, der unter dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt angeordnet ist. Um die verdampfbare Flüssigkeit vom Sumpf 54 zu dem Sprühdüsen 48 zu bewegen, können andere Vorrichtungen als Pumpen verwendet werden, wie beispielsweise ein Venturi. Es versteht sich, dass das erläuterte Verteilersystem 46 nur zu Erläuterungszwecken beschrieben ist und dass die Erfindung nicht auf die erläuterten Komponenten beschränkt ist, außer wenn die Komponente in einem der Ansprüche ausdrücklich dargelegt ist.
Das Verteilersystem 46 schließt auch eine Leitung 47, ein Ventil 49 oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Einführen von verdampfbarer Flüssigkeit in das Gerät ein; wie in 1 gezeigt, wird die verdampfbare Flüssigkeit in der erläuterten Ausführungsform in den Sumpf 56 eingeführt. Es könnte ein Sensor 51 im Sumpf 56 angeordnet werden, um zu bestimmen, ob der Pegel der verdampfbaren Flüssigkeit unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, um eine Pumpe zu aktivieren oder das Ventil 49 zu öffnen, um den Vorrat an verdampfbarer Flüssigkeit wieder aufzufüllen. Die verdampfbare Flüssigkeit kann Wasser sein.
Das erläuterte Wärmetauschersystem 8 schließt einen Prozessfluid-Verbindungspfad 60 vom Prozessfluidkreis 22 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts zum Prozessfluidkreis 34 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts ein.
Es gibt auch einen Prozessfluid-Auslassströmungspfad 62 vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 zum Prozessfluid-Auslass 14 und einen Prozessfluid-Bypassströmungspfad 64 vom Prozessfluidkreis 22 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts zum Prozessfluid-Auslass 14. Alle diese Strömungspfade 60, 62, 64 können beispielsweise aus Standardmaterialien gefertigte Rohrleitungen mit Standarddurchmesser oder Leitungen umfassen, wie beispielsweise eine auf der Außenseite galvanisierte Stahlrohrleitung oder eine rostfreie Stahlrohrleitung. Der Verbindungspfad 60 und der Bypassströmungspfad 64 sind ausführlicher in 1a gezeigt.
Zum Steuern der Strömung des Prozessfluid ist auch ein Strömungssteuerungsmechanismus 66 vorgesehen, so dass das aus dem Prozessfluidauslass 14 austretende Prozessfluid wahlweise vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 bei einer gewissen gemischten Temperatur T_fo gezogen werden kann (siehe 2a – 2c). Der Strömungssteuerungsmechanismus 66 kann es zulassen, dass das Prozessfluid nur vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, vom zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 in Reihe mit dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt oder gleichzeitig und gemischt sowohl vom trockenen als auch vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, 28 gezogen wird. Der Strömungssteuerungsmechanismus 66 kann ein Dreiwegeventil umfassen, wie beispielsweise ein modulierendes Ventil. Das modulierende Ventil kann derart zum Steuern der Prozessfluid-Strömung angeordnet sein, dass das aus dem Fluidkreis 22 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts austretende Prozessfluid entweder vollständig oder teilweise am Fluidkreis des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 vorbeiströmt oder in diesen eintritt. Das modulierende Ventil kann ein Servo-Ventil umfassen, wie beispielsweise ein bei Johnson Controls, Inc. in Milwaukee, Wisconsin erhältliches Dreiwegeventil des Schmetterlings-Typs der Serie VF mit einem pneumatischen oder elektrischen Aktuator, der bei derselben Quelle erhältlich ist.
Es können andere Strömungssteuerungsvorrichtungen 66 verwendet werden, und es ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung ist auf einen bestimmten Typ von Strömungssteuerungsvorrichtung zu beschränken, außer wenn es in den Ansprüchen ausdrücklich dargelegt ist. Abhängig von der Anwendung kann beispielsweise ein von Hand betriebenes Dreiwegeventil verwendet werden, oder es können verschiedene Kombinationen von motorisierten oder von Hand betriebenen Ventilen verwendet werden, um das Ergebnis des wahlweisen Leitens des Prozessfluids durch den trockenen und den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 16, 28 zu erreichen. Daher kann der Mechanismus 66 zum Steuern der Strömung von Prozessfluid, so dass das aus dem Prozessfluid-Auslass austretende Prozessfluid wahlweise vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 gezogen werden kann, ein von Hand betriebenes Dreiwegeventil, eine Mehrzahl von motorisierten oder von Hand betriebenen Ventilen, ein modulierendes oder mischendes Dreiwegeventil oder jede andere geeignete Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen umfassen. Um den gewünschten Effekt zu erzeugen, können die Strömungssteuerungsvorrichtung oder -vorrichtungen 66 wo immer gewünscht angeordnet werden, wie beispielsweise zwischen dem Prozessfluidauslass 14 und dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, oder stromaufwärts des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28, um die Strömung in den Bypassströmungspfad 64 und in den Verbindungsströmungspfad 60 zu steuern, wie in 1 erläutert. Geeignete Ventile könnten auch mit einem gemeinsamen Mischtank kombiniert werden, welcher sowohl vom Bypassströmungspfad 64 als auch vom Verbindungsströmungspfad 60 gespeist wird, wobei ein Abfluss am Prozessfluidauslass 14 angeschlossen ist. Wie nachstehend mit Bezug auf die Ausführungsformen der 11 – 12 beschrieben, können die Ventile auch stromaufwärts von beiden indirekten Kontaktwärmetauschabschnitten 16, 28 angeordnet werden.
Während des feuchten Betriebs des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 wird die Strömung von Prozessfluid durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 vorzugsweise minimiert, um den Verdampfungswärmeübertrag zu minimieren und dadurch den Verlust an verdampfbarer Flüssigkeit beim Verdampfen zu minimieren. Vorzugsweise maximiert der Strömungssteuerungsmechanismus 66 die Verwendung des trockenen indirekten Wärmetauschabschnitts 16, um verdampfbare Flüssigkeit zu sparen.
Das Wärmetauschersystem 8 kann auch einen Temperatursensor 70 einschließen, der zum Bestimmen der Temperatur des aus dem Prozessfluidauslass 14 austretenden Prozessfluids angeschlossen ist. kann Der Temperatursensor 70 kann angeschlossen sein, um den Betrieb des Strömungssteuerungsmechanismus 66 in Antwort auf die Temperatur des aus dem Prozessfluidauslass 14 austretenden Prozessfluids zu steuern, falls es sich um einen automatisierten Strömungssteuerungsmechanismus 66 handelt. Der Temperatursensor 70 kann beispielsweise einen bei Johnson Controls, Inc. in Milwaukee, Wisconsin erhältlichen Temperatursensor der Serie SET189A mit der notwendigen Hardware zur Rohrleitungsmontage umfassen. Es versteht sich, dass diese Vorrichtung nur zu Erläuterungszwecken aufgezeigt ist und dass die Erfindung nicht auf diese Vorrichtung beschränkt ist, außer wenn es in den Ansprüchen ausdrücklich dargelegt ist. Es können auch andere ähnliche Temperatursensoren von jedem anderen größeren Steuerungshersteller verwendet werden. Auf Grundlage einer von einer Bedienungsperson beim Prozessfluidauslass 14 genommenen Temperaturablesung könnte der Strömungssteuerungsmechanismus 66 alternativ von Hand betrieben werden, oder er könnte auf Grundlage von einigen anderen Parametern von Hand oder automatisch gesteuert werden. Es könnte in einigen Situationen beispielsweise wünschenswert sein, das modulierende Ventil 66 auf Grundlage der umgebenden Wetterbedingungen zu steuern; es könnte ein Temperatursensor angeordnet werden, um die Umgebungslufttemperatur zu messen, bevor einer der Wärmetauscherabschnitte eingeführt wird, wie es nachstehend mit Bezug auf die 11 – 12 erörtert wird. Auch könnte ein Sensor zum Überwachen einer weiteren Eigenschaft, wie beispielsweise des Drucks, des Prozessfluids verwendet werden, wobei der Strömungssteue rungsmechanismus 66 in Antwort auf den Druck des Prozessfluids arbeitet. Für eine optimale Leistung wäre ein automatischer Betrieb bevorzugt.
Der Prozessfluid-Temperatursensor 70 kann direkt mit dem Strömungssteuerungsmechanismus 66 verbunden sein, mit einem im Strömungssteuerungsmechanismus 66 enthaltenen, programmierbaren Logikelement, wie anhand der gestrichelten Linie zwischen dem Sensor 70 und dem Steuerungsmechanismus 66 in 1 gezeigt, mit einem computergestütztes Steuerungssystem der Fabrik oder mit einem allein stehenden Computersystem. Um verschiedene Servo-Mechanismen zu steuern, kann auch ein programmierbares Logikelement 72 als Teil eines computergestützten Steuerungssystems der Fabrik oder eines allein stehenden Computersystems verwendet werden. Jedes geeignete programmierbare Logikelement 72 könnte als Teil des Systems 8 eingeschlossen werden, um das Eingabesignal vom Temperatursensor 70 zu empfangen und um auf Grundlage der Temperaturablesungen den Betrieb der verschiedenen Motoren, Ventile und Pumpen zu steuern. Ein Bespiel eines geeigneten programmierbaren Logikelements ist die elektronische proportionale und integrale Temperatursteuerung System 350 A350P, welches bei Johnson Controls, Inc. in Milwaukee, Wisconsin erhältlich ist. Um optimale Ergebnisse beim Auswählen und Implementieren eines geeigneten programmierbaren Logikelements zu erzielen, wird erwartet, dass eine Fachperson für die Auslegung, die Auswahl und die Implementierung von Steuerungseinheiten zu Rate gezogen wird. Das programmierbare Logikelement 72 kann mit zusätzlichen Eingabesignalen 74 versehen werden, wie beispielsweise einem Eingabesignal von einer Bedienungsperson oder von zusätzlichen Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, die zum Bestimmen der Umgebungslufttemperatur oder der Temperatur des in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 oder in den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 eintretenden Luftstroms eingesetzt sind. Zum Erfassen von anderen physikalischen Eigenschaften des Prozessfluids können andere Typen von Sensoren verwendet werden. Wie im Fall des Fluidkondensors der 11 – 12 nachstehend erörtert, können beispielsweise Drucksensoren verwendet werden, um den Druck des Prozessfluids zu bestimmen, und könnten die Druckablesungen in das programmierbare Logikelement 72 eingegeben werden.
Es kann wünschenswert sein, ein motorisiertes oder von Hand betriebenes Ventil (nicht gezeigt) als Teil des Verteilersystems 46 für verdampfbare Flüssigkeit einzuschließen. Das Ventil könnte zum Steuern des Volumens, der Dauer oder der Strömungsrate der auf die Rohrschlange des zweiten indirekten Wärmetauschabschnitts 28 gesprühten, verdampfbaren Flüssigkeit verwendet werden. Das Ventil könnte mit dem programmierbaren Logikelement 72 derart verbunden sein, dass das Ventil auf Grundlage der Prozessfluidtemperatur oder einigen anderen Parametern betrieben werden könnte. Beim Betrieb im feuchten Modus sollte die Strömung der verdampfbaren Flüssigkeit jedoch innerhalb des für die Sprühdüsen empfohlenen Strömungsbereichs gehalten werden und für eine volle Bedeckung der Rohrreihen des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 ausreichen.
Wie in 1 gesehen, kann das Wärmetauschersystem 8 auch einen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 mit einer Lufteinlassseite 78, einer Luftauslassseite 80 und Füllmedium 82 umfassen. In der erläuterten Ausführungsform sind der direkte Abschnitt 76 und die Lufteinlassseite 78 derart angeordnet, dass die Umgebungsluft in das Gerät 10 gezogen werden kann, und öffnet sich die Luftauslassseite 80 in eine Verteilerkammer 84. Die Verteilerkammer 84 empfängt auch Luft von der Auslassseite 32 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28. Das Füllmedium 82 im direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 kann jedes beliebige Standard-Füllmedium sein, wie beispielsweise ein Kunststofffüllmaterial sowie ein Holz- oder Keramikfüllmedium oder jedes beliebige im Stand der Technik bekannte Füllmedium. Zum Querströmen kann das Füllmedium wie jenes sein, das im U.S. Patent Nr. 4,361,426 (1982) von Carter et al. offenbart ist; zum Gegenströmen kann das Füllmedium in Form von trapezoidförmigen Blättern vorliegen, wie im U.S. Patent Nr. 5,724,828 (1998) von Korenic. Es können im Handel erhältliche Querströmungs-PVC-Füllmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise das bei Brentwood Industries of Reading, Pennsylvania erhältliche Füllmaterial "Accu-PAC CF 1900 Cooling Tower Film". In der ersten erläuterten Ausführungsform von 1 ist der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt 76 zum Empfangen von verdampfbarer Flüssigkeit vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 angeordnet; es versteht sich jedoch, dass ein Verteilersystem für verdampfbare Flüssigkeit über dem direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 vorgesehen sein kann, so dass die verdampfbare Flüssigkeit an den direkten Abschnitt 76 verteilt werden kann, ohne zuerst durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 zu verlaufen.
Der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt 76 dient als adiabatische Sättigungseinheit und als Verdampfungswärmetauscher, um die verdampfbare Flüssigkeit zu kühlen, und zwar vorzugsweise mit minimaler Verwendung als Verdampfungswärmetauscher zum Sparen von verdampfbarer Flüssigkeit. Während der meisten Zeit des Jahres, wenn das Wärmetauschersystem im trockenen Modus arbeitet, ruht der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt 76.
Der Sumpf 56 ist unter dem direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 angeordnet. Das Wärmetauschersystem 8 schließt auch einen Mechanismus 54 zum wahlweisen Bewegen von verdampfbarer Flüssigkeit vom Sumpf 56 zu den Sprühauslässen 48 ein. Der Mechanismus 54 kann eine zum Arbeiten zu gewählten Zeiten gesteuerte Standardpumpe umfassen, wie nachstehend beschrieben. Die Pumpe 54 kann beispielsweise mit einem Temperatur- oder Drucksensor verbunden sein, so dass die verdampfbare Flüssigkeit auf Grundlage einer Temperatur- oder Druckablesung entweder zum zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, zum direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 oder zu beiden verteilt wird. Die Temperatur- oder Druckablesung kann auf der Temperatur- oder Druckablesung des Prozessfluids beruhen, wie beispielsweise der Temperatur oder des Drucks des Prozessfluids stromabwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16, zum Beispiel in der Nähe des Prozessfluidauslasses 14. Daher kann die verdampfbare Flüssigkeit auf Grundlage der Temperatur oder des Drucks des Prozessfluids verteilt oder nicht verteilt werden. Für diesen Zweck kann eine Steuerungseinheit verwendet werden; die Steuerungseinheit kann einfach einen Ein-Aus-Schalter für die Pumpe umfassen, der zum Aufnehmen eines Eingabesignals des Temperatur- oder Drucksensors angeschlossen ist, oder es kann eine anspruchsvollere Steuerungseinheit verwendet werden, wie beispielsweise eine, die ein programmierbares Logikelement verwendet. Die Steuerungseinheit kann Teil des als Teil des Systems eingeschlossenen, zentralen programmierbaren Logikelements 72 sein, indem sie die Temperatur- oder Druckablesungen vom Sensor 70 verwendet, oder die programmierbare Steuerungseinheit könnte Teil der gesamten Steuerungen der Fabrik oder Teil eines allein stehenden Computers sein.
Der Sumpf 56 würde typischerweise einen Abfluss 88 einschließen, so dass die verdampfbare Flüssigkeit aus dem System ausgetragen werden kann, um zu bestimmten Zeiten des Jahres, wie beispielsweise während der Wintermonate, ein Einfrieren zu verhindern. Der Abfluss 88 kann einen Steuerungsmechanismus 90 einschließen, wie beispielsweise ein mittels eines Temperatursensors gesteuertes Magnetventil, so dass der Abfluss 88 geöffnet ist, wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise unter den Gefrierpunkt fällt. Wie in 1 gezeigt, kann das Ventil 90 dazu angeschlossen sein, um mittels des zentralen programmierbaren Logikelements 72 gesteuert zu werden, oder könnte es von Hand betrieben oder auf Grundlage seines eigenen Sensiersystems oder seiner eigenen Sensiervorrichtung gesteuert werden. Es könnte ein Magnetventil (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Rohrschlangen entweder des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 oder des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 automatisch zu entleeren, falls die Prozessfluidtemperatur in die Nähe des Gefrierpunkts fällt.
Es könnten separate Sümpfe und Pumpen für jeden der zweiten indirekten und direkten Wärmetauschabschnitte vorhanden sein. Jede Pumpe könnte zum unabhängigen Arbeiten gesteuert sein, wie es in der Anmeldung für das U.S.- Patent offenbart ist, welches von Thomas P. Carter und Branislav Korenic gleichzeitig hiermit eingereicht worden ist und den Titel "LOW PROFILE HEAT EXCHANGE SYSTEM AND METHOD WITH REDUCED WATER CONSUMPTION" trägt. Alternativ könnte eine einzelne Pumpe mit zwei separaten Sprühsystemen verwendet werden, wobei ein Ventil die verdampfbare Flüssigkeit entweder zu den Sprühdüsen des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts oder des direkten Wärmetauschabschnitts leitet. Bei separaten Sümpfen könnte . der Sumpf des zweiten indirekten Wärmetauschabschnitts über den direkten Wärmetauschabschnitt gehoben werden oder könnte er sich unter dem direkten Wärmetauschabschnitt befinden.
Das Wärmetauschersystem 8 kann auch ein Gehäuse 94 einschließen, welches im Wesentlichen den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76, die Verteilerkammer 84 und die Sprühdüsen 48 umgibt, wobei alle diese Elemente sich dadurch innerhalb des Wärmetauschergeräts 10 befinden. Wie in 13 gezeigt, weist das Gehäuse 94 Öffnungen 95 auf, die mit der Lufteinlassseite 78 des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts übereinstimmen.
Klappen 97 trennen die Öffnungen 95 voneinander. Die erläuterten Öffnungen 95 lassen es zu, dass durch die Lufteinlassseite 78 des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts 76 eine Querströmung von Luft eintritt, welcher durch die Luftauslassseite 80 austritt und in die Verteilerkammer 84 eintritt; der Luftstrom durch den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 ist in den 1 und 5 – 6 bei 96 gezeigt. Wie in den 1 und 13 gezeigt, weist das Gehäuse 94 über dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 ebenfalls Öffnungen 99 auf, welche zur Lufteinlassseite 30 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 führen. Wie in den 1 und 5 – 6 gezeigt, kann die Luftströmung durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 gleichsinnig zur Strömung von verdampfbarer Flüssigkeit stattfinden und tritt aus dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt aus und in die Verteilerkammer 84 ein; der Luftstrom durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 ist in den 1 und 4 – 6 bei 98 gezeigt. Es versteht sich, dass die Lufteinlassseiten 30, 78 sowohl des zweiten indirekten als auch des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts 28, 76 anderweitig angeordnet sein können, um die Querströmung oder die Gegenströmung durch den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 vorzusehen oder um die gleichsinnige Strömung oder die Gegenströmung durch den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 zuzulassen. Wie in 4 gezeigt, könnte die Luftströmung im zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 beispielsweise gegensinnig zum Strömungspfad der verdampfbaren Flüssigkeit sein. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen der Vorrichtungen verwendet werden könnte, die im U.S. Patent Nr. 5,435,382 und im U.S. Patent Nr. 5,724,828 beschrieben sind.
Der Luftstrom, der durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 strömt, ist in den 1, 4 – 6 und 11 – 14 mit 110 bezeichnet. Der Luftstrom 110 ist eine Kombination aus einem Hauptluftstrom 98 und einem Nebenluftstrom 96. Beim Luftstromaustritt aus dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt kann das Gerät 10 Drahtgitter aufweisen, die in den 13 – 14 bei 105 gezeigt sind.
Wie in den 1, 11 – 12 und 14 gezeigt, kann das Gehäuse 94 des Wärmetauschergeräts stromaufwärts des Lufteinlasses 18 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts auch Hilfs-Luftöffnungen 100 in die Verteilerkammer 84 einschließen. Die Hilfs-Luftöffnungen 100 sehen einen Einlass für einen Umgebungsluftstrom 101 in die Verteilerkammer 84 vor, ohne zuerst entweder durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 oder durch den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 zu verlaufen. Es können Dämpfer 102 zum wahlweisen Verschließen der Hilfs-Luftöffnungen 100 vorgesehen sein. Die Dämpfer 102 können mit einem oder mehreren Servo-Motoren eines beliebigen Standardtyps verbunden sein, wie im Allgemeinen in 1 bei 104 gezeigt, und die Motoren 104 können mit einem Steuerungsmechanismus verbunden sein, welcher das zentrale Logikelement 72 oder eine andere Steuerungsvorrichtung sein kann, so dass die Dämpfer 102 automatisch geöffnet und geschlossen werden können, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Prozessfluids stromabwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 oder von einem anderen Faktor. Im Allgemeinen sollten die Dämpfer 102 bei Fluid-Kühlvorrichtungen geschlossen sein, wenn das Wärmetauschersystem im feuchten Modus arbeitet, und geöffnet, wenn das Wärmetauschersystem im trockenen Modus arbeitet. Die Dämpfer 102 müssen nicht motorisiert sein, sondern könnten auch von Hand betreibbar sein.
Um die Luftströme 96, 98, 101, 110 durch die Teile des Wärmetauschergeräts 10 zu bewegen, kann die vorliegende Erfindung auch eine Luftbewegungsvorrichtung 108 einschließen. Die Luftbewegungsvorrichtung 108 bewegt Umgebungsluft in die Lufteinlassseite 30 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts und bewegt Umgebungsluft in die Lufteinlassseite 78 des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts; in den Ausführungsformen der 1, 5 – 6 und 11 – 12 wird die Umgebungsluft durch die Luftbewegungsvorrichtung 108 in die Wärmetauschabschnitte gezogen. Die Luftbewegungsvorrichtung 108 bewegt die Luftströme 98, 96 durch den zweiten indirekten und den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, 76 und aus deren Luftauslassseiten 32, 80 heraus in die Verteilerkammer 84 hinein, wo die beiden Luftströme 96, 98 gemischt werden, um einen einzigen kombinierten Luftstrom 110 festzulegen, der in 1 mit 110 bezeichnet ist, welcher in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 eintritt und diesen hindurch verläuft. Falls das Wärmetauschergerät wie in 1 Hilfs-Luftöffnungen 100 aufweist, zieht die Luftbewegungsvorrichtung 108 auch wahlweise Umgebungsluft in die Verteilerkammer 84, um zum kombinierten Luftstrom 110 gemischt zu werden. In der ersten erläuterten Ausführungsform ist die Luftbewegungsvorrichtung 108 ein motorisierter Ventilator, der innerhalb des Gerätegehäuses 94 stromabwärts der Verteilerkammer 84 und stromaufwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 angeordnet ist, um die Luftströme 98, 96 durch den zweiten indirekten und den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, 76 zu ziehen und um den Luftstrom 110 durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zu treiben. Es versteht sich, dass diese Vorrichtung und die Position der Vorrichtung nur zu Erläuterungszwecken festgelegt und erläutert sind. Es kann wünschenswert sein, andere Luftbewegungsvorrichtungen oder Luftbewegungssysteme zu verwenden, die wie gezeigt oder anderweitig angeordnet sind, wie beispielsweise ein Frischluftventilator entweder vom Zentrifugal- oder vom Propellertyp, der beispielsweise wie entweder im U.S. Patent Nr. 5,724,828 oder im U.S. Patent Nr. 5,435,382 erläutert angeordnet ist. Es können auch andere Luftbewegungssysteme verwendet werden. Der Ventilator oder eine andere Luftbewegungsvorrichtung kann auch eine Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit sein, die einen Steuerungsmechanismus zum Variieren der Geschwindigkeit des Ventilators aufweist. Der Steuerungsmechanismus könnte zum Empfangen eines Eingabesignals vom Temperatursensor 70 oder vom zentralen Logikelement 72 angeschlossen sein, welcher/welches zum Bestimmen der Temperatur des Prozessfluids angeschlossen ist, so dass die Geschwindigkeit des Ventilators in Antwort auf die Prozessfluidtemperatur variiert werden kann. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, Energie zu sparen, indem der Ventilator während der Wintermonate bei niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben wird, wenn das Prozessfluid bei einer niedrigeren Strömungsrate auf eine gewünschte Temperatur gekühlt werden kann. Es könnte auch wünschenswert sein, ein Haupt-Luftbewegungsgerät mit einem Hilfs-Luftbewegungsgerät vorzusehen, welches während Zeiten von erhöhtem Bedarf betreibbar ist.
Das Wärmetauschergerät 10 von 1 kann gefertigt werden, indem ein im Handel erhältlicher Standardtyp des trockenen indirekten Wärmetauschabschnitts zu einem Wärmetauschergerät hinzugefügt wird, welches vom im U.S. Patent Nr. 5,435,382 offenbarten Typ ist und im Handel bei Baltimore Aircoil Company in Baltimore, Maryland als Kühltürme mit geschlossenem Kreis der Serie 1500 und als Verdampfungskondensoren der Serie 1500 erhältlich sind, und indem der Prozessfluid-Verbindungsströmungspfad 60, der Prozessfluid-Auslassströmungspfad 62 und der Prozessfluid-Bypassfluidströmungspfad 64 sowie der Strömungssteuerungsmechanismus 66 hinzugefügt werden. Der Temperatursensor 70 und das programmierbare Logikelement 72 können als Nachrüstung ebenfalls zu dem Wärmetauschergerät hinzugefügt werden. Alternativ kann das Wärmetauschergerät unabhängig gefertigt werden.
Als Einphasenfluid-Kühlvorrichtung verwendet ist das Wärmetauschersystem der vorliegenden Erfindung in drei Modi betreibbar. Im Modus 1 bei niedrigeren Umgebungstemperaturen, wie beispielsweise bei Temperaturen unter ungefähr 15°C bzw. ungefähr 59°F, wird zu kühlendes, warmes Prozessfluid durch den Prozessfluideinlass 12 zum Einlasskopf 24 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 zugeführt. Vom Einlasskopf 24 aus verteilt sich das Prozessfluid durch die Rohre 26 des Prozessfluidkreises 22, so dass das Prozessfluid mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Strömungsrate innerhalb der gesamten Reihe von Kreisen strömt, die einen oder mehrere Rohrschlangenaufbauten des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 umfassen. Wenn das Prozessfluid den Fluidkreis 22 des trockenen indirekten Wärmetauschabschnitts 16 durchläuft, bewegt die Luftbewegungsvorrichtung 108 den Strom 110 von Luft über die Rohre 26 und die Rippen 27, um das Prozessfluid zu kühlen. Der Luftstrom 110 kann den Hauptluftstrom 98 umfassen, der durch den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 und durch die Verteilerkammer 84 verlaufen ist, bevor er in den trockenen indirekten Wärmetauschabschnitt eintritt, den Nebenluftstrom 96, der zuerst durch den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 und durch die Verteilerkammer 84 verlaufen ist, den Hilfsstrom von Umgebungsluft 101, der durch die Hilfsöffnungen 100 und die Verteilerkammer 84 verlaufen ist, und Gemische aus jedem beliebigen dieser Ströme 96, 98, 101. Nachdem das Prozessfluid abgekühlt und im Auslasskopf 25 empfangen worden ist, tritt der gesamte Prozessfluidstrom in den Bypassströmungspfad 64 ein und strömt zum Prozessfluidauslass 14, ohne in den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 einzutreten. Durch den Betrieb des Strömungssteuerungsmechanismus 66 wird der gesamte Prozessfluidstrom zum Bypassströmungspfad 64 geleitet.
Die Temperatur des Prozessfluids, welches aus dem Gerät oder System austritt, kann vom Sensor 70 überwacht werden, und falls die Temperatur höher als gewünscht ist, kann der Strömungssteuerungsmechanismus 66 derart eingestellt werden, dass das Prozessfluid teilweise oder insgesamt in den Prozessfluid-Verbindungsströmungspfad 60 eintritt und anschließend in den Einlasskopf 42 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 eintritt. Vom Einlasskopf 42 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts aus kann sich das Prozessfluid durch die schlangenlinienförmigen Fluidströmungskreise 38 des Rohrschlangenaufbaus 36 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 verteilen. Wenn das Prozessfluid den Fluidkreis 34 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 durchläuft, bewegt die Luftbewegungsvorrichtung 108 den Hauptluftstrom 98 über den Rohrschlangenaufbau 36, um das Prozessfluid zu kühlen. In diesem ersten Betriebsmodus arbeitet der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 als trockener Wärmetauscher und wird das Prozessfluid mittels des sich über den Rohrschlangenaufbau 36 bewegenden Luftstroms 98 weiter gekühlt. Das Prozessfluid wird hauptsächlich im trockenen, mit Rippen versehenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und teilweise im trockenen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 gekühlt. Der trockene zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt könnte in diesem Betriebsmodus ungefähr 6% – 15% Kühlung hinzufügen. Um den Systemdruckabfall des nicht aktiven direkten Kontaktwärmetauschabschnitts 76 zu verringern und um den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 mit mehr Luft zu versehen, können die motorisierten Dämpfer 102 automatisch geöffnet werden, um durch die Hilfsöffnungen 100 in die Verteilerkammer 84 einen zusätzlichen Umgebungsluftstrom 101 einzuführen.
Die Effekte des Betriebs des Systems in Modus 1 sind in den in 2a gezeigten Temperaturprofilen graphisch erläutert. Wie dort gezeigt, tritt das Prozessfluid bei einer Anfangs-Einlasstemperatur T_fi in den Prozessfluideinlass 12 ein und tritt bei einer niedrigeren End-Auslasstemperatur T_fo aus dem Prozessfluidauslass 14 aus. Falls das Prozessfluid den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 umgeht, wird die End-Auslasstemperatur T_fo gleich der Prozessfluidtemperatur am Auslass des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 sein, wie in 2a bei Temperatur T_f* gezeigt. Falls das Prozessfluid in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 eintritt, fällt die Prozessfluidtemperatur von der Temperatur T_f* auf die Temperatur T_fo.
Der Hauptluftstrom 98 tritt bei einer in den 2a – 2c mit T_dbi bezeichneten Anfangs-Trockenkugeltemperatur in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 ein, und auch der Nebenluftstrom tritt bei derselben Anfangs-Trockenkugeltemperatur T_dbi in den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 ein. Die Trockenkugeltemperatur des Nebenluftstroms 96 bleibt im trockenen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 relativ konstant, wie in 2a mit der waagrechten, ausgezogenen Linie gezeigt. Falls kein Prozessfluid in den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 eintritt, würde auch die Temperatur des Hauptluftstroms 98 im Wesentlichen konstant bleiben und würde der waagrechten Linie in 2a ebenfalls folgen. Falls Prozessfluid durch den Rohrschlangenaufbau 36 des zweiten indirekten Wärmetauschabschnitts 28 strömt, steigt die Trockenkugeltemperatur der Hauptluftstroms 98 an, wenn er den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 durchläuft, wie mit der nach oben geneigten Linie gezeigt, und in die Verteilerkammer 84 eintritt. In der Verteilerkammer 84 mischt sich der Luftstrom 98 mit dem vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 empfangenen, kühleren Luftstrom 96. Daher kann der in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 eintretende Luftstrom 110 vorgekühlt werden. Die Trockenkugeltemperatur des Luftstroms 110 steigt an, wenn der Luftstrom 110 und das Prozessfluid im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 Wärme austauschen. Falls das Wärmerauschergerät mit motorisierten Dämpfern 102 und Hilfsöffnungen 100 ausgestattet ist, versteht es sich, dass die Dämpfer in diesem ersten Betriebsmodus geöffnet werden können, um eine noch größere Menge an Umgebungsluft mit der niedrigeren Trockenkugeltemperatur einzuführen, um mit dem Hauptluftstrom 98 derart gemischt zu werden, dass der Luftstrom 110 bei einer Temperatur in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 eintritt, die noch näher bei T_dbi liegt. Um den Druckabfall zu verringern, könnte der Hilfs-Luftstrom 101 alternativ durch den Nebenluftstrom 96 ersetzt werden. 2a zeigt in gestrichelten Linien auch die entsprechenden Feuchtkugeltemperaturen der Luftströme in den Abschnitten des Wärmetauschersystems, um anzuzeigen, dass die Trockenkugeltemperaturen der Luftströme in diesem Betriebsmodus die treibenden Kräfte sind. Während des Erwärmens bleibt der Luftstrom bei einer konstanten absoluten Luftfeuchtigkeit.
Es versteht sich, dass die relativen Bereiche der Wärmetauschabschnitte 16, 28, 76 entlang der waagrechten Achsen in den 2a – 2c nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Es wäre zu erwarten, dass der tatsächliche, im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 vorhandene Wärmetauschbereich bezüglich desjenigen, der für den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 gezeigt ist, viel größer ist. Wie erläutert, wäre der Wärmeübertragungsbereich des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts 76 darüber hinaus nicht gleich dem Wärmeübertragungsbereich des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28, sondern er wäre größer.
In dem zweiten Betriebsmodus ist die Umgebungslufttemperatur höher, beispielsweise über ungefähr 15°C bzw. 59°C, und der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 oder/und der direkte Kontaktwärmetauschabschnitts 76 arbeitet/arbeiten, um ihre entsprechenden Luftströme 98, 96 adiabatisch zu sättigen, bevor die Luftströme in die Verteilerkammer 84 eintreten. In diesem Modus ist das Verteilersystem 46 für verdampfbare Flüssigkeit derart aktiviert, dass die verdampfbare Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, in Abhängigkeit von der Struktur des Verteilersystems über den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 oder/und über den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 gesprüht wird.
Bei der Ausführungsform von 1 wird die verdampfbare Flüssigkeit im zweiten Betriebsmodus über den Rohrschlangenaufbau 36 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 gesprüht und tropft abwärts auf das Füllmedium 82 im direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 und anschließend in den Sumpf 56. Die verdampfbare Flüssigkeit wird aus dem Sumpf 56 gepumpt und durch das Verteilersystem wieder in Umlauf gebracht. In diesem Betriebsmodus ist die Temperatur der verdampfbaren Flüssigkeit gleich der bei T_wbi gezeigten Anfangs-Feuchtkugeltemperatur des Umgebungsluftstroms und bleibt konstant. Wie in 2b gezeigt, ist der Strömungssteuerungsmechanismus 66 zum vollständigen Öffnen des Bypassfluidströmungspfads 64 eingestellt, so dass kein Prozessfluid durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 strömt.
Wenn kein Prozessfluid durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 strömt, zirkuliert die verdampfbare Flüssigkeit durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 und den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76, ohne dass sie sich vom Prozessfluid mit Wärme auflädt. Stattdessen sättigt die Zirkulation der verdampfbaren Flüssigkeit die Haupt- und Nebenluftströme 98, 96 in dem zweiten indirekten bzw. dem direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, 76.
Wenn die Luftströme 98, 96 gesättigt sind, fallen die Temperaturen der Luftströme in dem zweiten indirekten und dem direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, 76 von der Anfangs-Trockenkugeltemperatur T_dbi in Richtung der niedrigeren Feuchtkugeltemperatur T_wbi. Die absolute Feuchtigkeit der Luftströme 96, 98 steigt an, wenn sie sich mit der Feuchtkugeltemperatur T_wbi einhergehend sättigen. Der Hauptluftstrom 98 wird wahrscheinlich keine Sättigung von 100 % erreichen, wie es in 2b bei 98 mit der ausgezogenen Linie gezeigt ist, und seine Temperatur bleibt über der Feuchtkugeltemperatur. Da der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt 76 jedoch ein dichteres Medium aufweisen kann, kann aber die Temperatur des Nebenluftstroms 96 die Feuchtkugeltemperatur T_wbi erreichen oder sich dichter an diese annähern, wie es in 2b bei 96 mit der steileren Linie gezeigt ist.
Die adiabatisch gekühlten Luftströme 98, 96 werden vom Ventilator 108 in die Verteilerkammer 84 hinein bewegt. Die beiden Ströme 96, 98 mischen sich in der Verteilerkammer, und die Temperatur des kombinierten Luftstroms liegt zwischen den Temperaturen des Haupt- und des Nebenstroms 98, 96, wie in 2b bei „Gemisch" gezeigt. Die Mischtemperatur liegt wahrscheinlich näher bei der Temperatur des Nebenluftstroms 96, da die Volumina der Luftströme wahrscheinlich nicht gleich sind. Von der Verteilerkammer 84 aus wird der kombinierte Luftstrom 110 über die Rippen 27 und die Rohre 26 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 bewegt.
Die Trockenkugeltemperatur des kombinierten Luftstroms 110 ist der betriebswirksame Faktor im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, wie in 2b mit der ausgezogenen Linie angezeigt. Wie in 2b gezeigt, steigt die Trockenkugel- und die Feuchtkugeltemperatur des kombinierten Luftstroms 110 im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 an, wohingegen die absolute Feuchtigkeit konstant bleibt. Die motorisierten Dämpfer 102 sollten geschlossen sein, so dass der wärmere Umgebungs-Trockenluftstrom 101 daran gehindert wird, durch die Hilfsöffnungen 100 in die Verteilerkammer 84 einzutreten.
Da die verdampfbare Flüssigkeit im Wesentlichen den Haupt- und den Nebenluftstrom sättigt, wird die gesamte in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 eintretende Luft unter die Umgebungstrockenkugeltemperatur T_dbi vorgekühlt, und der Kühlvorgang im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 wird gesteigert. Und da die verdampfbare Flüssigkeit keine Wärme beladung vom Prozessfluid trägt, wird der Verlust an verdampfbarer Flüssigkeit durch das Verdampfen minimiert und verdampfbare Flüssigkeit gespart.
Wie in 2b gezeigt, wird das Prozessfluid im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 von einer Anfangs-Einlasstemperatur T_fi auf eine Temperatur T_f* gekühlt. Da kein Prozessfluid durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 strömt, ist die Prozessfluid-Auslasstemperatur T_fo in Wesentlichen gleich der Temperatur T_f*.
Wenn die Umgebungslufttemperatur weiter ansteigt, oder wenn die Auslasstemperatur des Prozessfluids einen Einstellwert übersteigt, kann das Wärmetauschersystem in Modus 3 betrieben werden. Das Temperaturprofil beim Betrieb in diesem dritten Modus ist in 2c gezeigt. In diesem Modus arbeitet der Strömungsteuerungsmechanismus 66 derart zum Modulieren der Prozessfluidströmung, dass das Prozessfluid teilweise oder insgesamt in den Prozessfluid-Verbindungsströmungspfad 60 eintritt und zum und durch den Prozessfluidkreis 34 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 strömt. Der Strömungsteuerungsmechanismus 66 kann von Hand oder automatisch betrieben werden, so dass das Prozessfluid wahlweise sowohl vom trockenen als auch vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, 28 gezogen und gemischt wird. Wenn die Außen- oder Umgebungstemperatur relativ niedrig ist, d.h. nahe des Temperaturbereichs von Modus 2, tritt eine kleine Menge an Prozessfluid durch den Verbindungsströmungspfad 60 in den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 34 ein. Infolgedessen weicht der thermische Prozess nur leicht vom adiabatischen Sättigungsprozess von Modus 2 ab und ist die Temperatur der verdampfbaren Flüssigkeit leicht höher als der Kühlvorgangsgrenzwert (die Feuchtkugeltemperatur der eintretenden Luft). Wie Fachleute verstehen werden, sind die Temperaturen der Luftströme 98, 96, die aus den Luftauslassseiten 32, 80 des zweiten indirekten und des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts austreten, etwas erhöht, und steigt der Verbrauch an verdampfbarer Flüssigkeit ebenfalls leicht an. In diesem Temperaturbereich, unterstützt der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, um das Prozessfluid auf die gewünschte Temperatur zu kühlen.
Da die Umgebungstemperatur im Sommer ansteigt, erhöht der Strömungssteuerungsmechanismus 66 die in den Fluidkreis des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 eintretende Menge an Prozessfluid. Bei der Sommerspitzentemperatur, d.h. bei der Auslegungsspitzentemperatur, wird das gesamte oder das im Wesentlichen gesamte Prozessfluid durch den Fluidkreis 34 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 geleitet. Bei der Spitzenlast trägt der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 den wesentlichen Teil der Wärmeladung und handelt der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 als zusätzlicher Wärmetauscher, um der Auslegungswärmelast zu entsprechen. In diesem Stadium weicht der thermische Prozess wesentlich vom adiabatischen Sättigungsprozess ab. Die Temperatur der verdampfbaren Flüssigkeit ist wesentlich höher als in Modus 2, und die Temperatur des aus dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 austretenden Luftstroms 98 ist wesentlich höher als in Modus 2, aber immer noch tief genug, um dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 das Durchführen eines brauchbaren Kühlvorgangs zu ermöglichen. Um die verdampfbare Flüssigkeit zu kühlen, arbeitet der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt 76 in diesem Modus im Wesentlichen wie die Füllabschnitte in den U.S. Patenten Nrn. 5,435,382 und 5,724,828 und die Kühltürme mit geschlossenem Kreis der Serie 1500 und die Verdampfungskondensoren der Serie 1500, die bei Baltimore Aircoil Company in Baltimore, Maryland erhältlich sind.
Die Effekte des Betriebs in Modus 3 sind in den Temperaturprofilen von 2c erläutert. Wie dort gezeigt, wird das Prozessfluid im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 von einer Anfangstemperatur T_fi auf eine Temperatur T_f* beim Trockenabschnittauslass gekühlt, aber nicht in dem Ausmaß wie in den anderen Betriebsmodi. Die Temperatur des Prozessfluids beim Auslass 14 kann auf oder in der Nähe der Auslasstemperatur vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 sein, falls das meiste Prozessfluid am zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 vorbeiströmt, wie es in 2c mit der waagrechten Linie gezeigt und mit "Bypassteil" bezeichnet ist. Falls das gesamte Prozessfluid durch den Verbindungspfad 60 strömt und durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 zum Auslass 14 verläuft, fällt die Prozessfluidtemperatur am Auslass 14 auf das in 2c gezeigte und mit "durch Rohrschlange" bezeichnete, niedrigere Niveau. Der Betrieb des Strömungssteuerungsmechanismus 66 zum Ziehen eines Gemischs von Prozessfluid aus beiden Wärmetauschabschnitten 16, 28 hat eine Auslasstemperatur T_fo zur Folge, die zwischen den anderen Auslasstemperaturen liegt, wie es in 2c bei „Gemisch" für ein Gemisch aus 50% des aus dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 genommenen Prozessfluids und 50% des aus dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 genommenen Prozessfluids gezeigt ist. Es versteht sich, dass das 50-50-Gemisch nur zu Erläuterungszwecken gegeben ist; die tatsächlichen relativen Prozentsätze der Fluide variieren je nach Betrieb des Strömungssteuerungsmechanismus 66, und der Mischpunkt bewegt sich dementsprechend auf und ab; bei der Auslegungsspitzenlast wäre es beispielsweise zu erwarten, dass 100% des Prozessfluids in die Rohrschlange des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts eintreten und dass die Prozessfluid-Auslasstemperatur bei einem niedrigeren Punkt liegt.
Bei dem dritten Betriebsmodus fällt die Trockenkugeltemperatur des Hauptluftstroms 98 im zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 von T_dbi auf T_dbo, wenn seine Feuchtkugeltemperatur von T_wbi auf T_wbo ansteigt. Die Trockenkugeltemperatur des Nebenluftstroms 96 fällt im direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 von T_dbi auf T_dbo, wenn seine Feuchtkugeltemperatur von T_wbi auf T_wbo ansteigt. In diesem Betriebsmodus liegen die Auslass-Trockenkugeltemperatur und die Auslass-Feuchtkugeltemperatur des Nebenluftstroms 96 näher beieinander als jene des Hauptluftstroms, da der Nebenluftstrom 96 wahrscheinlich mehr gesättigt ist als der Hauptluftstrom 98. Die beiden Luftströme 96, 98 mischen sich in der Verteilerkammer 84, wie mit den Worten „Gemisch" bei den Auslasstemperaturen angezeigt, wobei sie eine Mischtemperatur zwischen den Auslasstemperaturen des Haupt- und des Nebenluftstroms erreichen. Der kombinierte Luftstrom 110 verläuft anschließend durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, und die Feucht- und Trockenkugeltemperaturen des Luftstroms 110 steigen an, wenn Wärme aus dem Prozessfluid extrahiert wird. Im zweiten indirekten und im direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, 76 sind die Feuchtkugeltemperaturen der Luftströme die maßgeblichen Temperaturen, wie in 2c mit den ausgezogenen Linien angezeigt, und sind die Trockenkugeltemperaturen nicht so maßgeblich, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt. Im trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 ist die Trockenkugeltemperatur des Luftstroms 110 die maßgebliche Temperatur, wie durch die ausgezogene Linie angezeigt, und ist die Feuchtkugeltemperatur weniger maßgeblich, wie mit der gestrichelten Linie angezeigt.
Im dritten Betriebsmodus steigt die Temperatur der verdampfbaren Flüssigkeit im zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 von einer Anfangsstemperatur T_wi an, die zwischen den Feuchtkugeltemperaturen der Luftströme und der Temperatur des aus dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt ausgetragenen Prozessfluids liegt (in 2(c) bei "durch Schlange" gezeigt). Die Anfangstemperatur steigt auf die Temperatur T_wo an, wie es in 2c bei der mit "rezirkulierte verdampfbare Flüssigkeit" bezeichneten Linie und dem mit 28 bezeichneten Pfeil gezeigt ist. Die warme verdampfbare Flüssigkeit tritt anschließend in den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 ein, wo sie von der Temperatur T_wo auf die Temperatur T_wi gekühlt wird, wie es in 2c bei der mit "rezirkulierte verdampfbare Flüssigkeit" bezeichneten Linie und dem mit 76 bezeichneten Pfeil gezeigt ist.
Die Wassersparvorteile der vorliegenden Erfindung sind in den vergleichenden 3a und 3b ersichtlich. 3a erläutert die Verwendung des Wärmetauschersystems und der Wärmetauscherverfahren der vorliegenden Erfindung während eines üblichen Jahres eines vorgegebenen Ortes. Zu Zwecken dieser Erläuterung werden die Trockenkugeltemperatur- und Feuchtkugeltemperatur-Profile von Stuttgart/Echterdingen AB, Deutschland verwendet. Die Temperatur ist entlang der Ordinate oder der Y-Achse aufgetragen, und die Anzahl der Stunden ist entlang der Abszisse oder der X-Achse aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, dass die Trockenkugeltemperatur dieser Ortes für 70,3% des Jahres während des Frühlings, des Herbsts und des Winters, unter 15°C bzw. 59°F liegen sollte. Für ungefähr 17,7% des Jahres liegt die Trockenkugeltemperatur über 15°C bzw. 59°F, die Feuchtkugeltemperatur hingegen liegt unter 15°C bzw. 59°F. Für ungefähr 12% des Jahres liegen sowohl die Trockenkugel- als auch die Feuchtkugeltemperatur über 15°C bzw. 59°F. Mit der vorliegenden Erfindung kann das Wärmetauschersystem für 70.3% der Zeit in Modus 1 als trockenes Gerät betrieben werden, wobei keine verdampfbare Flüssigkeit verwendet wird. Wenn die Umgebungs-Trockenkugeltemperatur über 15°C bzw. 59°F liegt, die Feuchtkugeltemperatur hingegen unter 15°C bzw. 59°F liegt, kann das Wärmetauschersystem 8 in Modus 2 mit adiabatischer Sättigung und minimalen Verlusten an verdampfbarer Flüssigkeit betrieben werden. Wenn sowohl die Trockenkugel- als auch die Feuchtkugeltemperatur über 15°C bzw. 59°F liegen, können das Wärmetauschersystem 8 und der Wärmetauschvorgang in Modus 3 betrieben werden. Es versteht sich, dass die bestimmten Grenzwerttemperaturen zum Betrieb in den verschiedenen Modi nur zu Erläuterungszwecken gegeben sind. Die tatsächlichen Grenzwerte zum Betrieb in den verschiedenen Modi können stattdessen direkt von dem Prozessfluidtemperatur- oder dem Prozessfluiddruckbedarf stromabwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16, wie beispielsweise beim Prozessfluidauslass 14, abhängen. Die Grenzwert-Prozessfluidtemperaturen oder die Grenzwert-Prozessfluiddrücke sollten derart mit der Umgebungstemperatur korrelieren, dass die Verwendungsperioden für jeden der Betriebsmodi den in 3a erläuterten Prozentsätzen folgen. Der tatsächliche Prozentsatz der Betriebszeit jedes Betriebsmodus hängt vom bestimmten Jahrestemperaturprofil des Ortes und von den Auslegungs-Grenzwerttemperaturen oder -Grenzwertdrücken ab (wie beispielsweise den Auslegungs-Grenzwerten der Luft-Trockenkugeltemperatur), für welche das Wärmetauschersystem bemessen worden ist. Die Wechsel zwischen jedem Modus kann durch automatische Steuerungen, wie vorstehend beschrieben, oder durch einen von Hand durchgeführten Vorgang vollzogen werden, obwohl die Verwendung des modulierenden Ventils und des Prozessfluid-Temperatursensors bevorzugt werden.
In 3b werden mögliche Ersparnisse an verdampfbarer Flüssigkeit bei einer Fluidkühlvorrichtung graphisch erläutert, wobei angenommen wird, dass die Wärmeausstoßlast während des ganzen Jahres konstant bleibt. Bei einem typischen Verdampfungskühlturm mit geschlossenem Kreis ist der Verbrauch an verdampfbarer Flüssigkeit im Wesentlichen unabhängig von den bestimmten Umgebungswetterbedingungen und beträgt ungefähr 1,2 Pfund Wasser pro 1000 BTU's von ausgestoßener Wärme. Dieser Verbrauch ist in 3b mit der oberen waagrechten, gestrichelten Linie dargestellt. Der Wasserverbrauch der vorliegenden Erfindung ist 3b mit der unteren ausgezogenen Linie dargestellt. Bei diesem bestimmten Beispiel hätte die Verwendung der vorliegenden Erfindung eine Ersparnis von ungefähr 90% des Wassers zur Folge, welches bei einem konventionellen Verdampfungsprodukt verwendet würde. Im Allgemeinen kann die Wärmeausstoßlast nicht während des ganzen Jahres konstant sein, aber dennoch können wesentliche Wasserersparnisse erreicht werden.
Wie es in den 4 – 6 ersichtlich ist, sind viele Variationen der Struktur des Wärmetauschersystems 8 der vorliegenden Erfindung möglich. Wie es beispiels weise in 4 ersichtlich ist, muss das Wärmetauschersystem keinen direkten Kontaktverdampfungs-Wärmetauschabschnitt 76 des in 1 gezeigten Typs aufweisen und kann die Luftbewegungsvorrichtung 108 einen Frischluft-Propellerventilator oder jeden beliebigen Typ von Ventilator umfassen. Daher kann ein bestehender Verdampfungskühlturm mit relativ kleineren Änderungen mit Gegenstrom-Frischluft nachgerüstet werden, um sich die vorliegende Erfindung zunutze zu machen. Wie es in den 5 und 6 ersichtlich ist, könnten zwei trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitte oder Kontaktwärmetauschvorrichtungen 16 zu einem Wärmetauschergerät mit doppeltem Rohrschlangenaufbau 36 und doppeltem Kontaktwärmetauschabschnitt 76 hinzugefügt werden. Die Wärmetauschergeräte 10 mit Gegenströmungsluft und Strömen von verdampfbarer Flüssigkeit im direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76, wie in der Ausführungsform von 5, und mit Querströmungsluft und Strömen von verdampfbarer Flüssigkeit, wie in der Ausführungsform von 6, können mit einem oder mehreren trockenen indirekten Kontaktwärmetauschern 16 nachgerüstet werden, einhergehend mit geeigneten Ventilen 66, Prozessfluid-Verbindungsströmungspfaden 60, Prozessfluid-Bypassfluidströmungspfaden 64, Prozessfluid-Auslasspfaden 62, einhergehend mit geeigneten Sensoren 70, 74 und mit einem programmierbaren Logikelement 72, falls gewünscht. Obwohl die erläuterten Ausführungsformen im zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 die gleichsinnige Strömung der verdampfbaren Flüssigkeit und des Luftstroms (1, 5 und 6) und die gegensinnige Strömung der verdampfbaren Flüssigkeit und des Luftstroms zeigt, kann die Erfindung auch für Wärmetauschersysteme 8 verwendet werden, die eine Querströmung des Luftstroms 98 durch die verdampfbare Flüssigkeit verwenden. Obwohl die 5 und 6 nur einen der doppelten trockenen und zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitte erläutern, die an die modulierenden Ventile 66 und die Prozessfluid-Strömungspfade 60, 64 angeschlossen sind, versteht es sich, dass die doppelten Abschnitte auch so angeschlossen sein könnten, dass sie in Reihe, parallel oder separat verlaufen können. Wie in den 5 – 6 gezeigt, können die trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitte 16 auch stromaufwärts der Luftbewegungsvorrichtung 108 angeordnet werden, anstatt stromabwärts wie in der Ausführungsform von 1. Und obwohl die in den 1 und 4 – 6 erläuterten Ausführungsformen Beispiele von nachgerüsteten Wärmetauschergeräten mit geschlossenem Kreis sind, versteht es sich, dass auch andere Wärmetauschergeräte nachgerüstet werden können und dass andere Anordnungen der Komponenten der vorliegenden Erfindung als Teil des ursprünglichen Geräts gefertigt sein können. Es ist nicht vorgesehen, die Erfindung auf eine irgendeine bestimmte Anordnung von Komponenten zu beschränken, und sie ist nicht auf das Nachrüsten von bestehenden Wärmetauschern beschränkt, außer wenn es in einem der Ansprüche ausdrücklich dargelegt ist.
Jedes beliebige Wärmetauschersystem kann Standardstrukturen einschließen, wie beispielsweise Tropfenabscheider 114 zum Minimieren oder Beseitigen von jeglichen, im Luftauslass vorkommenden Wassertröpfchen. Die Tropfenabscheider 114 können nahe beabstandete Leisten oder Klappen aus Metall, Kunststoff oder Holz umfassen, welche die Luftströmung durch diese hindurch erlauben, die feinen Wassertröpfchen in der Luft hingegen sammeln. Bei der vorliegenden Erfindung können auch andere Standardvorrichtungen verwendet werden.
Bei der Auswahl der Komponenten können die bestimmten, beim trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 verwendeten Vorrichtungen auf Grundlage von standardisierten Konstruktionsauslegungsprinzipien ausgewählt werden. Der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 ist so bemessen, dass er die meisten der thermischen Aufgaben im trockenen Modus erfüllt; in diesem Modus fügt der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 je nach seiner Größe beispielsweise etwa 6% – 15% an thermischer Kapazität hinzu, sind die mit Rippen versehenen Rohre 26 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 jedoch der vorherrschende Wärmetauscher. Im feuchten Betriebsmodus erledigt jedoch der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 60% – 70% der thermischen Aufgaben, und die mit Rippen versehenen Rohrschlangen 26 erledigen die verbleibenden 40%-30%. Die tatsächlichen Prozentsätze der thermischen Aufgaben jedes Abschnitts hängen von der relativen Größe beider Wärmetauscher 16, 28 ab. Falls die Anwendung über den Verlauf eines ganzen Jahres konstante thermische Aufgaben verlangt, würde man einen großen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und einen relativ kleinen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 auswählen. Falls die Aufgaben im Sommer und der feuchte Betrieb voraussichtlich größer sind als die Aufgaben im Winter und der trockene Betrieb, würde man einen größeren zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 auswählen.
Und obwohl der Effekt des Verwendens der Wärmetauschersysteme und Wärmetauschervorgänge für den Fluidkühlvorgang beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Wärmetauschersysteme und Wärmetauschervorgänge auch für andere Wärmeextraktionsarbeiten verwendet werden können, wie beispielsweise für das Dampfkondensieren. Beim Dampfkondensieren kann die Richtung der Prozessfluidströmung vom der vorstehend Beschriebenen variiert werden, wie in den U.S. Patenten Nrn. 5,435,382 und 5,816,318 beschrieben und wie nachstehend mit Bezug auf die 11 und 12 beschrieben.
In den 11 und 12 sind dieselben Bezugszeichen für dieselben Teile verwendet worden, die vorstehend in den Ausführungsformen der 1 und 4 – 6 beschrieben worden sind. 11 erläutert ein als Kondensor verwendetes Wärmetauschersystem 8, welches eine parallele Kühlmittel-Strömung durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 aufweist. 12 erläutert ein als Kondensor verwendetes Wärmetauschersystem 8, welches eine serielle Kühlmittel-Strömung durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 aufweist. Bei beiden Ausführungsformen der 11 – 12 kann der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zwei parallel angeschlossene Wärmetauschergeräte des in 7 gezeigten und vorstehend beschriebenen Typs umfassen. Wie in den Ausführungsformen der 1 und 5 – 6 schließt jedes der Wärmetauschersysteme der 11 und 12 einen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 ein. Alle Wärmetauschabschnitte 16, 28, 76 der Kondensoren der 11 – 12 weisen Lufteinlassseiten 18, 30, 78 und Luftauslassseiten 20, 32, 80 auf. Die Strukturen des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28 können für die Ausführungsformen der 11 und 12 dieselben sein, wie jene, die in den 1 und 4 – 6 erläutert sind, und wie jene, die in den 8 – 10 erläutert sind.
Wie in den vorangehenden Ausführungsformen, weisen die Kondensoren der 11 und 12 Gehäuse 94 und Verteilerkammern 84 auf. Die Wände der Gehäuse bei den Verteilerkammern weisen Hilfs-Luftöffnungen 100 und Dämpfer 102 auf, so dass ein Hilfsluftstrom 101 in die Verteilerkammer eintreten kann und zur Lufteinlassseite 18 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 bewegt werden kann, ohne zuerst durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 oder durch den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 zu verlaufen. Der Hilfs-Umgebungsluftstrom 101 kann mit den anderen Luftströmen zum gemeinsamen Luftstrom 110 gemischt werden, wie vorstehend beschrieben. Es können Dämpfer 102 zum wahlweisen Schließen der Hilfs-Luftöffnungen 100 vorgesehen sein. Die Dämpfer 102 können mit einem oder mehreren Servo-Motoren eines beliebigen Standardtyps verbunden sein, wie in den 11 – 12 allgemein bei 104 gezeigt, und die Motoren 104 können mit einem Steuerungsmechanismus verbunden sein, welcher mit dem zentralen Logikelement 72 oder einer anderen Steuerungsvorrichtung derart verbunden sein kann, dass die Dämpfer, beispielsweise je nach Temperatur oder Druck des Prozessfluids stromabwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 oder einem anderen Faktor, automatisch geöffnet und geschlossen werden können. Bei Kondensoren sollten die Dämpfer 102 im Allgemeinen geschlossen sein, wenn das Wärmetauschersystem im feuchten Modus arbeitet, und geöffnet, wenn das Wärmetauschersystem im trockenen Modus arbeitet. Wie in der Ausführungsform vom 1, müssen die Dämpfer 102 nicht motorisiert, sondern könnten auch von Hand betreibbar sein.
Die äußere Erscheinung der Kondensoren der 11 – 12 kann ähnlich sein wie jene, die in den 13 – 14 gezeigt ist, mit Klappen 97 bei den Öffnungen 95 in das Innere des Gehäuses. Das Gehäuse kann bei den Luftstromausgängen aus dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt Drahtgitter 105 aufweisen, wie in den 13 – 14 gezeigt. Auch würden die äußeren Rohrleitungen leicht von den in 13 Gezeigten abweichen.
Die Kondensoren der 11 und 12 können sowohl in einem trockenen als auch in einem feuchten Modus betrieben werden. Vorzugsweise werden die Kondensoren so lang wie möglich in einem trockenen Modus betrieben, um die Verwendung von verdampfbarer Flüssigkeit zu minimieren und dadurch verdampfbare Flüssigkeit zu sparen. Der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 sollte entsprechend bemessen sein; er sollte genügend Kapazität zum Kondensieren des Prozessfluids während eines wesentlichen Teils des Jahres aufweisen, ohne den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 im feuchten oder verdampfenden Modus zu verwenden.
Der motorisierte Ventilator 108 der Kondensoren der 11 und 12 ist vorzugsweise entweder ein motorisierter Ventilator mit zwei Geschwindigkeiten oder ein motorisierter Ventilator mit variabler Geschwindigkeit. In beiden Fällen arbeiten die Ventilatoren 108 bei der Auslegungs-Umgebungs-Trockenkugeltemperatur bei voller Geschwindigkeit und arbeitet der Kondensor im trockenen Modus. Falls Dämpfer 102 vorgesehen sind, sind diese voll geöffnet, um die Luftströmung durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zu maximieren. Bei niedrigeren Trockenkugeltemperaturen ist die Ventilatorgeschwindigkeit verringert und sind die Dämpfer geschlossen. Im feuchten Betriebsmodus ist die Pumpe 54 aktiviert, so dass die verdampfbare Flüssigkeit nach oben durch die Rohrleitung 52 zum Verteilerrohrleitungssystem 50 und den Sprühdüsen 48 bewegt und über den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 verteilt wird. Bei der Auslegungs-Feuchtkugeltemperatur arbeitet der Ventilator 108 bei voller Geschwindigkeit und sind die Dämpfer 102 geschlossen, um die Luftströmung durch den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 und den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 zu maximieren. Wenn die Feuchtkugeltemperaturen unter das Auslegungsniveau fallen, kann die Geschwindigkeit des Ventilators 108 verringert werden.
Beim Kondensor mit paralleler Strömung von 11 verwendet die erläuterte Ausführungsform eine Mehrzahl von Zufuhrströmungspfaden und eine Mehrzahl von Ventilen in verschiedenen Strömungspfaden. Ein erster Prozessfluid-Zufuhrströmungspfad 200 führt vom Prozessfluideinlass 12 zum oberen Einlass 24 des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts. Nachdem das Prozessfluid durch die Prozessfluidkreise 34 geströmt ist, strömt das Prozessfluid zum unteren Auslass 25 und zu einem ersten Prozessfluid-Auslassströmungspfad 202, der vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zum Prozessfluidauslass 14 führt. Der erste Prozessfluid-Auslassströmungspfad 202 schließt eine Verbindungsleitung 204, eine gemeinsame Leitung 206 und einen gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 ein. Die Verbindungsleitung 204 führt vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zum gemeinsamen Aufnahmebehälter 208. Der gemeinsame Aufnahmebehälter 208 umfasst einen Tank. Der Tank kann aus Metall oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein. Ein Ende der gemeinsamen Leitung 206 befindet sich im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 nahe einer niedrigen Höhe und ein anderes Ende befindet sich außerhalb des gemeinsamen Aufnahmebehälters 208. In der Linie der Verbindungsleitung 204 befindet sich ein erstes Steuerungsventil 210. In der Linie der Verbindungsleitung 204 befindet sich auch ein Rückschlagventil 212, um zu verhindern, dass das Prozessfluid mit dem höheren Druck im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 in die Verbindungsleitung zum Kondensor 16 zurückschlägt, was ansonsten bei niedrigen Umgebungstemperaturen vorkommen könnte.
Bei der Ausführungsform von 11 führt ein zweiter Zufuhrströmungspfad 214 vom Prozessfluideinlass 12 zum oberen Fluidkopf 40 des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 28. Nachdem das Prozessfluid durch den Prozessfluidkreis 34 geströmt ist, tritt das Prozessfluid in den unteren Fluidkopf 42 ein und strömt zu einem zweiten Prozessfluid-Auslassströmungspfad 216, der vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 zum Prozessfluidauslass 14 führt. Der zweite Prozessfluid-Auslassströmungspfad 216 schließt eine Verbindungsleitung 218, die gemeinsame Leitung 206 und den gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 ein. Die Verbindungsleitung 218 führt vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 zum gemeinsamen Aufnahmebehälter 208. In der Linie der Verbindungsleitung 218 befindet sich ein zweites Ventil 220. In der Linie der Verbindungsleitung 218 befindet sich auch ein Rückschlagventil 222, um zu verhindern, dass das Prozessfluid mit dem höheren Druck im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 in die Verbindungsleitung zum Kondensor 28 zurückschlägt, was ansonsten bei niedrigen Umgebungstemperaturen vorkommen könnte.
Es gibt einen dritten Prozessfluid-Zufuhrpfad 224, der vom Prozessfluideinlass 12 zum gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 führt. Im dritten Prozessfluid-Zufuhrpfad 224 befindet sich ein drittes Steuerungsventil 226.
Die drei Steuerungsventile 210, 220, 226 sehen einen Mechanismus zum Steuern der Strömung des Prozessfluids vor, so dass das aus dem Prozessfluidauslass 14 austretende Prozessfluid wahlweise vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 und vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 gezogen werden kann. Diese Steuerungsventile sehen diese Wahlmöglichkeit vor, indem sie die Steuerung des in den gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 eintretenden Fluids zulassen: Falls das Steuerungsventil 210 geöffnet, das Steuerungsventil 220 hingegen geschlossen ist, schließt das Prozessfluid im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 Fluid ein, welches durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 verlaufen ist. Falls der Wärmetauscher für eine wesentliche Zeitspanne in diesem Modus arbeitet, ist das Prozessfluid, welches durch die gemeinsame Leitung 206 vom gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 zum Expansionsventil gezogen worden ist, im Wesentlichen von Prozessfluid gebildet, welches durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 verlaufen ist, aber nicht durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28. Falls beide Steuerungsventile 210 und 220 geöffnet sind, umfasst das Prozessfluid im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 ein Gemisch aus Fluiden, welche durch die zwei indirekten Kontaktwärmetauschabschnitte 16, 28 verlaufen sind, und umfasst das durch die gemeinsame Leitung 206 gezogene Prozessfluid ein Gemisch. Falls das dritte Steuerungsventil 226 geöffnet, die anderen Steuerungsventile 210, 220 hingegen geschlossen sind, dann schließt das Prozessfluid im gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 Fluid ein, welches durch keinen der indirekten Kontaktwärmetauschabschnitte 16, 28 verlaufen ist.
Die drei Steuerugsventile 210, 220, 226 können so eingestellt sein, dass sie sich automatisch öffnen oder schließen. Die Steuerungsventile könnten an eine Steuerungseinheit, wie beispielsweise ein in den 11 – 12 bei 72 gezeigtes, programmierbares Logikelement, angeschlossen sein, welche Teil eines gesamten computergestützten Steuerungssystem der Fabrik, Teil des Wärmetauschergeräts 10 oder Teil eines allein stehenden Computers sein kann. Das programmierbare Logikelement 72 könnte ein Eingabesignal von einem in den 11 – 12 bei 74 gezeigten Temperatursensor empfangen. Geeignete Servo-Mechanismen könnten mit der Steuerungseinheit 72 und mit den Ventilen 210, 220, 226 derart verbunden sein, dass die Ventile auf Grundlage der Umgebungstemperatur geöffnet und geschlossen werden. Das Ventil 226 könnte beispielsweise so eingestellt sein, dass es nur in einem gewissen minimalen Umgebungstemperaturbereich geöffnet ist, wie beispielsweise unter 40°F, wobei die Ventile 210 und 220 bei dieser Temperatur geschlossen sind. Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise auf ungefähr 50°F ansteigt, kann sich das Ventil 226 schließen, das Ventil 210 öffnen und das Ventil 220 geschlossen bleiben, so dass das System nur den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 verwendet, um Wärme aus dem Prozessfluid zu extrahieren. Wenn die Umgebungstemperatur anfängt, über einen weiteren Einstellwert, wie beispielsweise 70°F, zu steigen, kann das Ventil 220 anfangen sich zu öffnen, um es zuzulassen, dass einiges Prozessfluid zum zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 strömt. Bei einer eingestellten Umgebungstemperatur von ungefähr 80°F können beide Ventile 210 und 220 voll geöffnet sein, so dass sowohl der trockene als auch der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16, 28 voll betreibbar sind.
Vorzugsweise sind die Steuerungsventile 210, 220, 226 Druckventile, welche den Kondensierungsdruck des Prozessfluids in jeder Linie sensieren und welche sich auf Grundlage des sensierten Drucks und eines für jedes Ventil individuellen Einstellwert-Drucks öffnen und schließen. Daher wird das vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 führende Steuerungsventil 210 auf einen minimalen betriebswirksamen Kondensierungsdruck eingestellt, welcher einer minimalen Kondensierungstemperatur des Prozessfluids entspricht. Solange der Prozessfluiddruck stromaufwärts des Ventils 210 diesen minimalen Einstellwert überschreitet, bleibt das Steuerungsventil 210 geöffnet und strömt das Prozessfluid vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 zum gemeinsamen Aufnahmebehälter 208. Der Betrieb in diesem Modus ist für die meiste Zeit bevorzugt, und der trockene indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 16 sollte dementsprechend bemessen sein.
Das zweite Steuerungsventil 220 kann so eingestellt sein, dass es sich bei einem höheren Druck öffnet, der einem höheren Kondensierungsdruck und einer höheren Kondensierungstemperatur des Prozessfluids entspricht. Falls der Druck des Prozessfluids im Strömungspfad 214 stromaufwärts des Ventils 220 den Einstellwert des zweiten Steuerungsventils 220 erreicht oder überschreitet, öffnet sich das zweite Steuerungsventil 220. Wenn sowohl das erste als auch das zweite Steuerungsventil 210, 220 geöffnet sind, strömt das Prozessfluid sowohl durch den trockenen als auch durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt und strömen beide Prozessfluidströme in den gemeinsamen Aufnahmebehälter 208. Der zweite indirekte Kontaktwärmetauschabschnitt 28 kann entweder in einem trockenen oder einem verdampfenden Modus arbeiten. Das Wärmetauschersystem könnte auch derart eingestellt sein, dass sich das Ventil 220 zum Arbeiten in einem trockenen Modus bei einer Temperatur öffnet, wobei die Pumpe 54 bei einer anderen höheren Temperatur zum Arbeiten im verdampfenden Modus aktiviert wird.
Das dritte Steuerungsventil 226 ist so eingestellt, dass es sich bei einem niedrigeren Druck als dem Einstellwert des ersten und zweiten Steuernmgsventils 210, 220 öffnet. Falls der Prozessfluiddruck niedrig ist, wie beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen und während des Hochfahrens des Systems, ist das dritte Steuerungsventil 226 daher geöffnet und sind das erste und das zweite Steuerungsventil 210, 220 geschlossen. Das Prozessfluid strömt direkt zum gemeinsamen Aufnahmebehälter 208, ohne durch den einen oder durch den anderen indirekten Wärmetauschabschnitt 16, 28 zu verlaufen, um den gemeinsamen Aufnahmebehälter 208 rasch unter Druck zu setzen.
Für die Steuerungsventile 210, 220, 226 können im Handel erhältliche Ventile verwendet werden. Ein Beispiel eines geeigneten in Handel erhältlichen Ventils ist ein Reglerventil, wie der Flüssigkeitsabfluss-Regler Typ A4A von Refrigerating Specialties Company of Broadview, Illinois.
Die Ersparnis von Wasser kann bei der Ausführungsform von 11 erreicht werden, indem beispielsweise die Verwendung von verdampfbarer Flüssigkeit mit der Umgebungs-Trockenkugeltemperatur verknüpft wird. Der Temperatursensor 74 kann mit der Steuerungseinheit 72 verknüpft werden, welche die Wasserpumpe 54 einschaltet, wenn die Umgebungs-Trockenkugeltemperatur den Einstellwert übersteigt. Die Dämpfer 102 können ebenfalls geschlossen werden, wenn diese Einstell-Umgebungs-Trockenkugeltemperatur erreicht ist.
Es könnte wünschenswert sein, das Verteilersystem 46 zu aktivieren, während das Ventil 220 zum Kühlen der Luftströme 96, 98 geschlossen ist, bevor diese in den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 eintreten. In diesem Modus würde die verdampfbare Flüssigkeit keine Wärmeladung vom Prozessfluid tragen.
Bei den Kondensoren mit serieller Strömung von 12 tritt das Prozessfluid, ein Kühlmittel-Dampf, in den Prozessfluideinlass 12 ein und strömt zum trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, wo die Wärme teilweise extrahiert wird. Dann umfasst das Prozessfluid ein Gemisch aus Kühlmittel-Dampf und Flüssigkeit, welche durch den Verbindungspfad 60 zum zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 strömt, wo der verbleibende Kühlmittel-Dampf zu einer Flüssigkeit kondensiert. Während des Betriebs im trockenen Modus wird der Wärmeextraktionsprozess durch die Menge an Luft gesteuert, die durch den trockenen und den indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, 28 verläuft. Bei der Auslegungs- Trockenkugel-Grenzwerttemperatur im trockenen Modus ist die Luftströmung auf ihrer Maximalrate vorgesehen.
Wenn die Lufttemperatur unter den Auslegungs-Grenzwertpunkt fällt, sinkt der Kondensierungsdruck in der Flüssigkeitsaustragungslinie 62, sowie auch deren Kondensierungstemperatur. Diese Änderung wird von einem Sensor 70, der entweder ein Temperatur- oder ein Drucksensor sein kann, in der Austragungslinie 62 vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 sensiert. Der Sensor 70 ist zum Vorsehen eines Eingabesignals in die Steuerungseinheit 72 angeschlossen. Wenn die Steuerungseinheit 72 vom Sensor 70 das Signal empfängt, dass der Kondensierungsdruck oder die Kondensierungstemperatur des Prozessfluids gesunken ist, sendet die Steuerungseinheit 72 ein Signal, um die Geschwindigkeit des Ventilators 108 zu verringern. Bei einem Ventilator mit zwei Geschwindigkeiten wird die Geschwindigkeit von hoch auf niedrig geändert; bei einem Ventilator mit variabler Geschwindigkeit wird die Motorgeschwindigkeit allmählich von einer höheren auf eine niedrigere Geschwindigkeit geändert.
Wenn die Umgebungslufttemperatur über den Auslegungs-Grenzwertpunkt steigt, sinkt der Kondensierungsdruck in der Flüssigkeitsaustragungslinie 62, sowie auch deren Kondensierungstemperatur. Diese Änderung kann entweder vom Sensor 74 sensiert werden, falls die Umgebungstemperatur verwendet wird, oder vom Sensor 70, falls der Kondensierungsdruck verwendet wird, und ein geeignetes Signal wird an die Steuerungseinheit 72 gesendet. Die Steuerungseinheit antwortet, indem sie die Pumpe 54 einschaltet. Daher wird die verdampfbare Flüssigkeit zu den Düsen 48 hoch gepumpt und zum Verdampfungskondensieren über den zweiten indirekten Wärmetauschabschnitt 28 gesprüht. Die Steuerungseinheit 72 kann auch die Luftströmung regulieren, indem sie den Ventilator 108 bei Lufttemperaturen unter dem Maximum bei niedriger Geschwindigkeit laufen lässt und indem sie die Ventilatorgeschwindigkeit bei Annäherung an die Sommerspitzentemperatur erhöht.
Es sind Auslegungsvariationen möglich. Beispielsweise könnten die Luftdämpfer 102 mit einem Ventilator mit variabler Geschwindigkeit oder mit zwei Geschwindigkeiten kombiniert werden. Die Luftdämpfer 102 zum Modulieren der Luftströmung könnten auch mit Ventilatoren mit konstanter Geschwindigkeit verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch Verfahren zum Extrahieren von Wärme aus Prozessfluiden vor. Bei einem Gesichtspunkt verläuft ein Prozessfluid durch das Wärmetauschersystem 8, während ein Luftstrom durch das Wärmetauschersystem 8 bewegt wird. Das Wärmetauschersystem schließt einen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, einen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28, einen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 und über dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt ein Verteilersystem 46 für verdampfbare Flüssigkeit ein. Die verdampfbare Flüssigkeit wird an den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 wahlweise verteilt oder nicht verteilt. Die Alternative zwischen Verteilen oder Nicht-Verteilen der verdampfbaren Flüssigkeit kann auf einer physikalischen Eigenschaft des Prozessfluids beruhen, wie beispielsweise dem Druck oder der Temperatur, in welchem Fall das Verfahren den Schritt des Messens einer physikalischen Eigenschaft des Prozessfluids einschließen würde. Die Alternative zwischen Verteilen oder Nicht-Verteilen der verdampfbaren Flüssigkeit könnte alternativ auf der Umgebungstemperatur beruhen, in welchem Fall das Verfahren den Schritt des Messens der Umgebungslufttemperatur einschließen würde.
Die Temperatur oder der Druck des Prozessfluids kann an einem Ort stromabwärts des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts 16 gemessen werden, wie beispielsweise beim Prozessfluidauslass 14.
Bei einem weiteren Gesichtspunkt sieht das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid vor, wie in Anspruch 7 beansprucht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines Prozessfluids, des Vorsehens einer verdampfbaren Flüssigkeit und des Vorsehens eines Wärmetauschersystems B. Das Wärmetauschersystem 8 schließt ein Verteilersystem 46 für die verdampfbare Flüssigkeit, einen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16, einen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 und einen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt 76 ein. Das Verfahren schließt den Schritt des Bewegens eines Luftstroms durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 ein, während die verdampfbare Flüssigkeit über dem zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 28 verteilt wird, um den Luftstrom auf eine Temperatur unter der Umgebungs-Trockenkugeltemperatur zu kühlen. Der gekühlte Luftstrom wird durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 bewegt, während das Prozessfluid durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt 16 verläuft.
Daher kann beim Wärmetauschersystem und beim Wärmetauschverfahren der vorliegenden Erfindung sowohl verdampfbare Flüssigkeit als auch Energie gespart werden. Da jeglicher aus dem Wärmetauschergerät ausgetragene Luftstrom durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt verläuft, kurz bevor er ausgetragen wird, wird der ausgetragene Luftstrom darüber hinaus erwärmt, um die Bildung einer Dampfwolke zu verringern oder zu unterbinden Obwohl nur bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und gezeigt worden sind, ist es ersichtlich, dass hieran verschiedene Zusätze und Änderungen vorgenommen werden können und dass für verschiedene Elemente der Erfindung Ersetzungen vorgenommen werden können. Es ist daher bei den beiliegenden Ansprüchen beabsichtigt, dass alle diese Zusätze, Änderungen und Ersetzungen unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen können.

Claims

Wärmetauschersystem (8) zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid, umfassend: – einen Prozessfluid-Einlass (12); – einen Prozessfluid-Auslass (14); – einen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) mit einer Lufteinlassseite (18), einer Luftauslassseite (20) und einem Prozessfluidkreis (22), der Prozessfluid vom Prozessfluid-Einlass empfängt; – einen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28), der eine Lufteinlassseite (30), eine Luftauslassseite (32) und einen Prozessfluidkreis (34) einschließt; – einen Prozessfluid-Verbindungsströmungspfad (60) vom Prozessfluidkreis (22) des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts zum Prozessfluidkreis (34) des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts; – einen Prozessfluid-Auslassströmungspfad (62) vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) zum Prozessfluid-Auslass (14); und – ein Verteilersystem (46) zum wahlweisen Verteilen einer verdampfbaren Flüssigkeit an den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28); dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschersystem ferner umfasst: – einen Prozessfluid-Bypassströmungspfad (64) vom Prozessfluidkreis (22) des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts zum Prozessfluid-Auslass (14); und – einen Mechanismus (66) zum Steuern der Strömung von Prozessfluid, so dass das aus dem Prozessfluid-Auslass (14) austretende Prozessfluid wahlweise vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) und vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) gezogen werden kann.
Wärmetauschersystem (8) nach Anspruch 1, bei welchem der Mechanismus (66) von Hand oder automatisch derart betätigbar ist, dass das Prozessfluid wahlweise sowohl vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) als auch vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) gezogen und gemischt werden kann.
Wärmetauschersystem (8) nach Anspruch 2, bei welchem die in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) eintretende Menge an Prozessfluid ansteigt, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt.
Wärmetauschersystem (8) nach Anspruch 1, 2 oder 3, welches ferner einen direkten Kontaktwärmetauschabschnitt (76) mit einer Lufteinlassseite (78), einer Luftauslassseite (80) und Füllmedium (82) umfasst, wobei der direkte Kontaktwärmetauschabschnitt zum Aufnehmen von verdampfbarer Flüssigkeit vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) angeordnet ist, wobei das Wärmetauschersystem ferner einen Sumpf (56) zum Aufnehmen von verdampfbarer Flüssigkeit vom direkten Kontaktwärmetauschabschnitt (76) einschließt und wobei das Verteilersystem (46) eine Mehrzahl von Sprühauslässen (48) und einen Mechanismus (54) zum wahlweisen Bewegen der verdampfbaren Flüssigkeit vom Sumpf zu den Sprühauslässen einschließt.
Wärmetauschersystem (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Mechanismus (66) zum Steuern der Strömung von Prozessfluid ein modulierendes Ventil umfasst, wobei das modulierende Ventil die Steuerung der Strömung von Prozessfluid derart zulässt, dass das Prozessfluid entweder in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) eintritt, vollständig am zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) vorbeiströmt oder teilweise am zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) vorbeiströmt, wobei das Wärmetauschersystem ferner einen Temperatursensor-Mechanismus (70) umfasst, der zum Bestimmen der Temperatur des Prozessfluids stromabwärts des Prozessfluidkreises (22) des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts und des Prozessfluidkreises (34) des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts angeschlossen ist.
Wärmetauschersystem (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches zwischen der Lufteinlassseite (18) des trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts (16) und den Luftauslassseiten (32, 80) des zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitts (28) und des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts (76) ferner eine gemeinsame Verteilerkammer (84) umfasst, sowie ein Gehäuse (94), welches den direkten Kontaktwärmetauschabschnitt (76) und die Verteilerkammer (84) im Wesentlichen umgibt, wobei das Gehäuse eine Öffnung (95) aufweist, die der Lufteinlassseite (78) des direkten Kontaktwärmetauschabschnitts entspricht, eine Hilfs-Luftöffnung (100) in der Verteilerkammer (84) und Dämpfer (102) zum wahlweisen Verschließen der Hilfs-Luftöffnung.
Verfahren zum Extrahieren von Wärme aus einem Prozessfluid, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines Prozessfluids und eines Prozessfluid-Auslasses (14); – Vorsehen einer verdampfbaren Flüssigkeit; – Vorsehen eines Verteilersystems (46) für die verdampfbare Flüssigkeit; einen trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) und einen zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28); – Strömenlassen des Prozessfluids durch den trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) und durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28), während ein Luftstrom durch den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) bewegt wird; und – wahlweises Verteilen oder Nicht-Verteilen der verdampfbaren Flüssigkeit über den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28), gekennzeichnet durch – Vorsehen eines Prozessfluid-Bypassströmungspfad (64) aus dem trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) zum Prozessfluid-Auslass (14); – Vorsehen eines Mechanismus (66) zum Steuern der Strömung von Prozessfluid; und – wahlweises Ziehen des Prozessfluids vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) und vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28).
Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner den Schritt des manuellen oder automatischen Betätigens des Mechanismus (66) umfasst, so dass das Prozessfluid wahlweise sowohl vom trockenen indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (16) als auch vom zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) gezogen und gemischt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner den Schritt des Erhöhens der in den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) eintretenden Menge an Prozessfluid umfasst, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, welches ferner den Schritt des Messens einer physikalischen Eigenschaft des Prozessfluids einschließt, und bei welchem der Schritt des wahlweisen Verteilens oder Nicht-Verteilens der verdampfbaren Flüssigkeit über den zweiten indirekten Kontaktwärmetauschabschnitt (28) auf der gemessenen physikalischen Eigenschaft des Prozessfluids beruht.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die gemessene physikalische Eigenschaft die Temperatur des Prozessfluids oder/und die Umgebungstemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, ferner den Schritt umfassend: – Vorsehen eines direkten Kontaktwärmetauschabschnitts (76).