EP0687878B1 - Evaporative cooling tower - Google Patents
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- EP0687878B1 EP0687878B1 EP95108900A EP95108900A EP0687878B1 EP 0687878 B1 EP0687878 B1 EP 0687878B1 EP 95108900 A EP95108900 A EP 95108900A EP 95108900 A EP95108900 A EP 95108900A EP 0687878 B1 EP0687878 B1 EP 0687878B1
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- cooling tower
- heat exchanger
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
-
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
- F28D5/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits
Definitions
- the invention relates to an evaporative cooling tower for cooling or condensation of fluids using cooling air with at least one additional with water acted pipe coil heat exchanger, the straight of which Pipe sections and pipe bends connecting these pipe sections existing coils in such a way with their beginning at a distributor and with their end are connected to a collector that the straight, in essentially horizontal and lying in the same plane Pipe sections of adjacent coils with a division between the input and Are arranged three times their hydraulic outer diameter, wherein the directly adjacent, straight pipe sections in Flow direction of the water acting on the coils offset to each other and with an average vertical pipe pitch from the center of the pipe Pipe center between one and two times the outer hydraulic Diameter are arranged.
- Evaporative cooling towers of this type are known from DE-U-89 07 113. At used this for cooling or condensation of fluids by means of cooling air
- An evaporative cooling tower replaces a coil coil heat exchanger other types of known cooling or trickle internals to one closed circuit for the fluid to be cooled or condensed receive.
- Such a cooling tower design is also called a fluid cooling tower, Evaporative condenser or closed evaporative cooling tower.
- the respective fluid is generated by means of air cooled or condensed.
- the outer surface of the Pipe coil heat exchanger is sprayed or wetted with water, by using evaporative cooling to improve the heat transfer performance to increase this heat exchanger significantly. Accordingly stand in such an evaporative cooling tower three material flows in thermodynamically Contact, depending on the embodiment in the same and / or counter and / or Cross current to each other.
- a key target when designing such evaporative cooling towers is the lowest possible outlet temperature of the fluid the temperature of the coolant used, i.e. the air, is physically limited is. This limit value is also used when evaporative cooling is used due to the wet air temperature, which is significantly lower than the dry air temperature is determined. Especially at higher air temperatures in the summer Fluid outlet temperature reduced with relatively simple technical means by injecting additional water into the cooling air flow. The fine Distributed water drops evaporate for the most part and lead to one Cooling of the air and thus an improved cooling of the fluid in the Heat exchanger.
- the sprinkled heat exchanger is preferably made of smooth, non-finned Pipes that are resistant to external pollution and high have area-specific transmission power.
- the pipes become inexpensive processed into snakes and on distribution and collecting pipes for the inner fluid connected.
- the straight lines next to each other Pipe sections of the coils become more thermodynamically advantageous Way vertically offset from each other, with larger with smaller Alternate distances. These are called vertical divisions.
- EP-A-0 119 934 is a coil coil heat exchanger for one Evaporative cooling tower can be seen, the pipes in the horizontal Pipe sections are provided with ribs in order to enlarge them Surface to increase performance.
- the invention has for its object to increase the area-specific transmission power in an evaporative cooling tower of the type described above or to achieve a reduction in the required surface of the heat exchanger and thus the material used, without having to accept a higher air-side pressure loss and thus an increased fan performance must become.
- the solution to this problem by the invention is characterized in that the outer hydraulic diameter of the straight pipe sections of the coils is so much smaller than 25 mm that a significant increase in the area-specific transmission capacity of the coil heat exchanger is achieved.
- the vertical distance corresponds from pipe center to pipe center of the straight line belonging to the same coil Pipe sections twice the vertical pipe pitch. This results in on the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal direction of the straight one Pipe sections covered a uniform pipe arrangement of all pipes of the Heat exchanger with the result of a compact design and an increased Performance.
- the vertical pipe division corresponds of pipes the simple of the outer hydraulic diameter.
- the pipes can also have an oval cross-sectional shape according to the invention.
- the tubes can be finned.
- the evaporative cooling tower shown schematically in FIGS. 1 and 2 is used for Cooling or condensing fluids and is for this purpose with a Pipe coil heat exchanger 1 equipped.
- This essentially exists of a plurality of coils 2a and 2b, which are in vertical planes lying close to each other without a gap.
- the coils 2b are in an alternating sequence to the pipe coils 2a in the vertical direction transferred.
- Each coil 2 a and 2 b is in the embodiment by six straight lines parallel to each other and at the same distance above each other Pipe sections 3a and 3b and pipe elbows 4a and 4 connecting them to one another 4b formed, cf. Fig. 2.
- All coils 2a and 2b are connected to a box-shaped distributor 5 and a collector 6 connected.
- the fluid to be cooled or encoded is fed through an inlet nozzle 7 to the distributor 5 and through this the individual coils 2a and 2b distributed.
- the individual sub-streams are then merged again by the collector 6.
- a Outlet port 8 connected through which the cooled or condensed fluid drains away.
- the cooling of the fluid in the individual coils 2a and 2b of the coil heat exchanger 1 is done by air.
- a motor 9 drives over a V-belt 10 to a radial fan 11, which according to the environment the arrows drawn in FIGS. 1 and 2 suck the cooling air. This will through the outlet opening 12 of the radial fan 11 into the distribution space 13 pressed to feed them to the individual coils 2a and 2b from below.
- the evaporative cooling tower faces outwards Housing walls 14 on.
- the coils 2a and 2b of the coil heat exchanger 1 are additionally applied with water to the cooling effect of the air by application evaporative cooling.
- the water is from the Reservoir of a cooling tower trough 15 sucked in with a pump 16 and via a Riser 17 of the nozzle water distribution 18 supplied. This consists of several pipes and nozzles not shown, um to distribute the water over the coil heat exchanger 1.
- the water is sprayed into a multitude of drops, which after impact on the outer surfaces of the straight, horizontal Pipe sections 3a and 3b according to FIG. 3, thin, downward flowing films 19 train.
- Trickle water in the form of drops and falls through one between the pipes horizontal plane 21 formed, the drops from the counter-flowing Air is further divided and distributed in the intermediate spaces.
- the drops then hit the pipes immediately below, where others Trickle films 19 are formed. This continues from tube to tube.
- the coil coil heat exchanger 1 according to FIGS. 1 and 2 is shown enlarged in order to be able to better recognize essential structural details.
- the straight pipe sections 3a and 3b are connected to prefabricated pipe bends 4a and 4b, for example by welding, in order to obtain pipe coils 2a and 2b which have a uniform vertical division s 2 between the straight pipe sections 3a and 3b (see FIG. 7).
- this value corresponds to 1.5 times the outer hydraulic diameter d A and is equal to the radius of the pipe bends 4a and 4b up to the center of the pipe.
- the coils 2a and 2b are supported several times by horizontal, strip-shaped support elements 24, which in turn are attached to an outer, solid support frame 25, and are positioned in their spatial position.
- Fig. 5 is a modified coil design of the coil heat exchanger 1 shown in FIGS. 1,2 and 4.
- the straight ones Pipe sections 3a and 3b not with pipe bends, but with short, straight ones Pipe pieces 26a and 26b connected.
- the pipe ends are used for this purpose cut at a 45 ° angle.
- the straight pipe sections 26a and 26b are particularly easy to manufacture and therefore cheaper than prefabricated pipe bends 4a and 4b according to Fig. 4. They also allow the Average vertical division of the straight pipe sections 3a and 3b to each other easily to the even cheaper 1.0 times the value of the external hydraulic Reduce diameter.
- a further exemplary embodiment according to FIG. 6 shows one for these cases Arrangement of coils that are nested in the vertical direction are. On the box-shaped distributor 28 and on the similar collector 29 the coils are connected with four rows of pipes. The corresponds to the previous exemplary embodiments according to FIGS. 2.4 and 5 a doubling so that the internal fluid velocity is halved.
- FIG. 7 an enlargement of the pipe coil heat exchanger 1 according to FIGS. 4 and 5 shows some pipe coil sections with the preferred geometric relationships in cross section.
- the outer diameter of the round tube corresponding to the hydraulic diameter d A is 18 mm; the inner tube diameter d I is 15 mm; the average horizontal pitch s 1 is 37 mm and the average vertical pitch s 2 , which here is equal to the bending radius r B , is 27 mm.
- the vertical division s 2 is uniform and corresponds here to 1.5 times the outer tube diameter d A.
- FIG. 7 This representation in FIG. 7 is compared with FIG. 8, an arrangement corresponding to the prior art, which has an outer tube diameter d A of 26 mm and a vertical division s 2 as the mean of the two vertical offsets s 2a and s 2b of 65 mm having. This corresponds to 2.5 times the outer pipe diameter d A.
- FIG. 9 shows the curves for constant cooling capacity the required surface of an air and water sprinkled coil coil heat exchanger 1 according to FIGS. 1 to 6 depending from its geometric data.
- the starting point of the consideration is the known prior art corresponding geometric arrangement Fig. 8 represents by an outer tube diameter of 26 mm and a vertical Line ratio of 2.5 is characterized.
- To manage the cooling capacity becomes a defined surface of the coil heat exchanger with this pipe geometry required by 100%.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Verdunstungskühlturm zur Kühlung oder Kondensation von Fluiden mittels Kühlluft mit mindestens einem zusätzlich mit Wasser beaufschlagten Rohrschlangen-Wärmetauscher, dessen aus geraden Rohrabschnitten und aus diese Rohrabschnitte verbindenden Rohrbögen bestehende Rohrschlangen derart mit ihrem Anfang an einen Verteiler und mit ihrem Ende an einen Sammler angeschlossen sind, daß die geraden, im wesentlichen horizontal verlaufenden und in derselben Ebene liegenden Rohrabschnitte benachbarter Rohrschlangen mit einer Teilung zwischen dem Ein- und Dreifachen ihres hydraulischen Außendurchmessers angeordnet sind, wobei die unmittelbar nebeneinander liegenden, geraden Rohrabschnitte in Strömungsrichtung des die Rohrschlangen beaufschlagenden Wassers zueinander versetzt und mit einer mittleren vertikalen Rohrteilung von Rohrmitte zu Rohrmitte zwischen dem Ein- und Zweifachen des äußeren hydraulischen Durchmessers angeordnet sind.The invention relates to an evaporative cooling tower for cooling or condensation of fluids using cooling air with at least one additional with water acted pipe coil heat exchanger, the straight of which Pipe sections and pipe bends connecting these pipe sections existing coils in such a way with their beginning at a distributor and with their end are connected to a collector that the straight, in essentially horizontal and lying in the same plane Pipe sections of adjacent coils with a division between the input and Are arranged three times their hydraulic outer diameter, wherein the directly adjacent, straight pipe sections in Flow direction of the water acting on the coils offset to each other and with an average vertical pipe pitch from the center of the pipe Pipe center between one and two times the outer hydraulic Diameter are arranged.
Derartige Verdunstungskühltürme sind aus der DE-U-89 07 113 bekannt. Bei diesen zur Kühlung oder Kondensation von Fluiden mittels Kühlluft verwendeten Verdunstungskühltürmen ersetzt ein Rohrschlangen-Wärmetauscher die bei anderen Bauarten bekannten Kühl- bzw. Rieseleinbauten, um einen geschlossenen Kreislauf für das zu kühlende oder kondensierende Fluid zu erhalten. Eine solche Kühlturmbauart wird auch als Fluidkühlturm, Verdunstungskondensator oder geschlossener Verdunstungskühlturm bezeichnet. Evaporative cooling towers of this type are known from DE-U-89 07 113. At used this for cooling or condensation of fluids by means of cooling air An evaporative cooling tower replaces a coil coil heat exchanger other types of known cooling or trickle internals to one closed circuit for the fluid to be cooled or condensed receive. Such a cooling tower design is also called a fluid cooling tower, Evaporative condenser or closed evaporative cooling tower.
Bei einem derartigen Verdunstungskühlturm wird das jeweilige Fluid mittels Luft gekühlt oder kondensiert. Zusätzlich wird die äußere Oberfläche des Rohrschlangen-Wärmetauschers durch Besprühen oder Benetzen mit Wasser beaufschlagt, um durch Einsatz der Verdunstungskühlung die Wärmeübertragungsleistung dieses Wärmetauschers erheblich zu erhöhen. Demzufolge stehen in einem derartigen Verdunstungskühlturm drei Stoffströme thermodynamisch in Kontakt, die je nach Ausführungsform im Gleich- und/oder Gegen- und/oder Kreuzstrom zueinander geführt werden.In such an evaporative cooling tower, the respective fluid is generated by means of air cooled or condensed. In addition, the outer surface of the Pipe coil heat exchanger is sprayed or wetted with water, by using evaporative cooling to improve the heat transfer performance to increase this heat exchanger significantly. Accordingly stand in such an evaporative cooling tower three material flows in thermodynamically Contact, depending on the embodiment in the same and / or counter and / or Cross current to each other.
Eine entscheidende Zielgröße bei der Auslegung derartiger Verdunstungskühltürme ist eine möglichst niedrige Austrittstemperatur des Fluids, die jedoch durch die Temperatur des eingesetzten Kühlmittels, also der Luft, physikalisch begrenzt ist. Dieser Grenzwert wird bei zusätzlicher Anwendung der Verdunstungskühlung durch die Feuchtlufftemperatur, die deutlich niedriger als die Trockenlufttemperatur ist, bestimmt. Insbesondere bei höheren Lufttemperaturen im Sommer kann die Fluidaustrittstemperatur mit relativ einfachen technischen Mitteln herabgesetzt werden, indem zusätzlich Wasser in den Kühlluftstrom eingedüst wird. Die fein verteilten Wassertropfen verdunsten zum größten Teil und führen zu einer Abkühlung der Luft und somit zu einer verbesserten Kühlung des Fluids im Wärmetauscher.A key target when designing such evaporative cooling towers is the lowest possible outlet temperature of the fluid the temperature of the coolant used, i.e. the air, is physically limited is. This limit value is also used when evaporative cooling is used due to the wet air temperature, which is significantly lower than the dry air temperature is determined. Especially at higher air temperatures in the summer Fluid outlet temperature reduced with relatively simple technical means by injecting additional water into the cooling air flow. The fine Distributed water drops evaporate for the most part and lead to one Cooling of the air and thus an improved cooling of the fluid in the Heat exchanger.
Bei der aus der DE-U-89 07 113 bekannten Ausführungsform wird eine größere Wassermenge oberhalb des Wärmetauschers mittels Sprühdüsen möglichst gleichmäßig verteilt. Das Wasser rieselt über die Rohre des Wärmetauschers nach unten und wird in der Kühlturmwanne gesammelt. Anschließend wird dieses Besprüh- oder Sekundärwasser mittels einer Pumpe wieder nach oben zur Wasserverteilung gefördert. Auf der Oberfläche der Wärmetauscherrohre bildet sich ein Wasserfilm und in den Zwischenräumen Wassertropfen und -strähnen, von deren Oberflächen eine kleine Wassermenge in den Kühlluftstrom hinein verdunstet. Der Verdunstungsverlust muß durch Zusatzwasser ständig ergänzt werden. Die in den Verdunstungskühlturm einströmende Kühlluft erfährt eine Temperaturänderung, wird mit Wasserdampf angereichert und schließlich wieder an die Umgebung abgeführt. Sie entzieht hierbei dem Wasserfilm auf den Wärmetauscherrohren Wärme, so daß das im Inneren der Rohre strömende Fluid gekühlt oder kondensiert wird. Bei einer derartigen Verdunstungskühlung in einem Verdunstungskühlturm handelt es sich somit um einen kombinierten Wärme- und Stofftransportprozeß, der aufgrund seiner sehr komplexen Natur eine sichere Leistungsbestimmung nur nach Durchführung aufwendiger Untersuchungen zuläßt.In the embodiment known from DE-U-89 07 113, a larger one Water quantity above the heat exchanger using spray nozzles if possible equally distributed. The water trickles over the pipes of the heat exchanger below and is collected in the cooling tower trough. Then this sprayed or secondary water is pumped up again for water distribution promoted. It forms on the surface of the heat exchanger tubes Water film and in the interstices water droplets and strands of them Surfaces a small amount of water evaporates into the cooling air flow. The Evaporation loss must be constantly supplemented with make-up water. The in the Evaporative cooling tower inflowing cooling air experiences a change in temperature, is enriched with water vapor and finally back into the environment dissipated. It removes the water film on the heat exchanger tubes Heat so that the fluid flowing inside the pipes is cooled or is condensed. With such an evaporative cooling in one Evaporative cooling tower is therefore a combined heat and Mass transfer process, which due to its very complex nature a safe Performance determination only after extensive investigations have been carried out allows.
Der berieselte Wärmetauscher besteht vorzugsweise aus glatten, unberippten Rohren, die abweisend gegen äußere Verschmutzung sind und eine hohe flächenspezifische Übertragungsleistung aufweisen. Die Rohre werden kostengünstig zu Schlangen verarbeitet und an Verteil- und Sammelleitungen für das innere Fluid angeschlossen. Die unmittelbar nebeneinander liegenden, geraden Rohrabschnitte der Rohrschlangen werden in thermodynamisch vorteilhafter Weise zueinander vertikal versetzt angeordnet, wobei größere mit kleineren Abständen alternieren. Diese werden als vertikale Teilungen bezeichnet.The sprinkled heat exchanger is preferably made of smooth, non-finned Pipes that are resistant to external pollution and high have area-specific transmission power. The pipes become inexpensive processed into snakes and on distribution and collecting pipes for the inner fluid connected. The straight lines next to each other Pipe sections of the coils become more thermodynamically advantageous Way vertically offset from each other, with larger with smaller Alternate distances. These are called vertical divisions.
Um bei derartigen Verdunstungskühltürmen eine höhere flächenspezifische Wärmeübertragungsrate zu erzielen, halten benachbarte Rohrschlangen des aus EP-B1-0 007 829 bekannten Verdunstungskühlturmes eine bestimmte Distanz in Horizontalrichtung zueinander ein. Die einander nicht berührenden Rohrschlangen weisen eine bevorzugte Rohrgeometrie mit einem äußeren Rohrdurchmesser von 26,7 mm sowie einem inneren Biegeradius von 53,2 mm auf. Daraus ergibt sich eine mittlere, vertikale Teilung von Rohrmitte zu Rohrmitte der benachbarten Rohre von 66,5 mm (innerer Biegeradius plus halber Außenrohrdurchmesser). Das entspricht etwa dem 2,5-fachen des äußeren Rohrdurchmessers.In order to achieve a higher area-specific in such evaporative cooling towers To achieve heat transfer rate, neighboring coils of endure EP-B1-0 007 829 known evaporative cooling tower a certain distance in Horizontal direction to each other. The coils not touching each other have a preferred tube geometry with an outer tube diameter of 26.7 mm and an inner bending radius of 53.2 mm. This results in an average, vertical division from tube center to tube center of the neighboring Tubes of 66.5 mm (inner bending radius plus half the outer tube diameter). The corresponds to approximately 2.5 times the outer pipe diameter.
Nach dem Stand der Technik werden für die beschriebenen Rohrschlangen-Wärmetauscher bevorzugt Rohre mit einem relativ großen Außendurchmesser von etwa 25 bis 30 mm gewählt. Dadurch läßt sich der Fertigungsaufwand verringern, da im Vergleich zu kleineren Rohrdurchmessern bei gleicher Wärmetauscheroberfläche pro Kühlturmquerschnitt eine geringere Anzahl an Rohren und Rohrschlangen benötigt wird.According to the prior art are used for the coil coil heat exchangers described prefers pipes with a relatively large outside diameter of selected about 25 to 30 mm. This can reduce the manufacturing effort, because compared to smaller pipe diameters with the same heat exchanger surface a smaller number of tubes per cooling tower cross-section and coils is needed.
Bei dem Rohrschlangen-Wärmetauscher sowohl nach der DE-U-89 07 113 als auch nach der EP-B1-0 272 766 werden elliptische Rohre für die geraden Rohrabschnitte verwendet, die ebenfalls einen bevorzugten Abstand zueinander in Horizontalrichtung aufweisen. In the coil coil heat exchanger both according to DE-U-89 07 113 Even according to EP-B1-0 272 766, elliptical tubes are used for straight Pipe sections used, which are also a preferred distance from each other in Have horizontal direction.
Der EP-A-0 119 934 ist schließlich ein Rohrschlangen-Wärmetauscher für einen Verdunstungskühlturm zu entnehmen, dessen Rohre im Bereich der horizontalen Rohrabschnitte mit Rippen versehen sind, um durch eine Vergrößerung der Oberfläche die Leistungsfähigkeit zu erhöhen.Finally, EP-A-0 119 934 is a coil coil heat exchanger for one Evaporative cooling tower can be seen, the pipes in the horizontal Pipe sections are provided with ribs in order to enlarge them Surface to increase performance.
Dem Stand der Technik ist somit zu entnehmen, daß eine hohe flächenspezifische Wärmeübertragungsrate der Wärmetauscher in Rohrschlangenbauform dann erreicht wird, wenn die nebeneinander liegenden, benachbarten Rohrschlangen eine bestimmte, jedoch nicht allzu große Distanz zueinander aufweisen, und zwar unabhängig davon, welche Rohrform oder welcher Rohrdurchmesser verwendet wird und ob diese Rohre berippt sind. Weiterhin wird beim bekannten Stand der Technik eine möglichst große vertikale Teilung der Rohre gewählt. Dies erfolgt einerseits aus fertigungstechnischer Sicht, da zu klein gewählte Biegeradien zum Einknicken oder anderen unerwünschten Verformungen der Rohrbögen führen. Andererseits sind die Wassertropfen zwischen den Rohren in nicht unerheblichem Maße am bereits geschilderten Wärme- und Stofftransportprozeß und somit an der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers beteiligt, wobei es offensichtlich ist, daß mit größeren horizontalen und vertikalen Teilungen größere Räume für die Bildung von Tropfen geschaffen werden und damit die gesamte Oberfläche aller Tropfen vergrößert wird. Eine vergrößerte Oberfläche des Rieselwassers zur Luft hat - so die gängige Lehrmeinung - eine vergrößerte Wärmeübertragungsleistung des Verdunstungskühlturms zur Folge.It can thus be seen from the prior art that a high area-specific Heat transfer rate of the coil-shaped heat exchangers then is achieved when the adjacent coils have a certain, but not too great distance from each other, namely regardless of which pipe shape or which pipe diameter is used and whether these pipes are finned. Furthermore, in the known state of the art Technology selected the largest possible vertical division of the tubes. this happens on the one hand from a manufacturing perspective, since the bending radii chosen are too small for the Buckling or other undesirable deformation of the pipe bends. On the other hand, the water drops between the pipes are not insignificant Dimensions of the already described heat and mass transfer process and thus of the Performance of the heat exchanger involved, it being obvious that with larger horizontal and vertical divisions, larger spaces for education created by drops and thus the entire surface of all drops is enlarged. So has an enlarged surface of the trickle water to the air the current doctrine - an increased heat transfer capacity of the Evaporation cooling tower result.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verdunstungskühlturm der eingangs beschriebenen Art die flächenspezifische Übertragungsleistung zu erhöhen bzw. eine Verringerung der benötigten Oberfläche des Wärmetauschers und damit des eingesetzten Materials zu erreichen, ohne daß ein höherer luftseitiger Druckverlust und damit eine erhöhte Ventilatorleistung in Kauf genommen werden muß.The invention has for its object to increase the area-specific transmission power in an evaporative cooling tower of the type described above or to achieve a reduction in the required surface of the heat exchanger and thus the material used, without having to accept a higher air-side pressure loss and thus an increased fan performance must become.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der äußere hydraulische Durchmesser der geraden Rohrabschnitte der Rohrschlangen soviel kleiner als 25 mm ausgebildet ist, daß eine signifikante Erhöhung der flächenspezifischen Übertragungsleistung des Rohrschlangen-Wärmetauschers erzielt wird. The solution to this problem by the invention is characterized in that the outer hydraulic diameter of the straight pipe sections of the coils is so much smaller than 25 mm that a significant increase in the area-specific transmission capacity of the coil heat exchanger is achieved.
Das am untersten Punkt des Rohrquerschnittes abtropfende Rieselwasser hat im erfindungsgemäßen Rohrschlangen-Wärmetauscher eine wesentlich kürzere Wegstrecke bis zum Auftreffen auf das in der gleichen vertikalen Ebene unmittelbar darunter liegende Rohr zurückzulegen. Mit der vertikalen Teilung verringert sich im erheblichen Maße die Anzahl der Rieselwassertropfen, so daß die gesamte wärme- und stoffübertragende Oberfläche des Rieselwassers ebenfalls abnimmt. Selbstverständlich hat in Übereinstimmung mit der gängigen Lehrmeinung die Reduzierung der gesamten Rieselwasseroberfläche auch eine Reduzierung der Wärmeübertragungsleistung des Verdunstungskühlturms zur Folge.The trickle water dripping at the lowest point of the pipe cross-section has in Pipe coil heat exchanger according to the invention a much shorter Distance until it hits the same vertical plane immediately put the pipe underneath. Reduced with the vertical division significantly the number of trickle water drops, so that the entire heat and mass transfer surface of the trickle water as well decreases. Of course, in accordance with the usual Doctrine also the reduction of the total trickle water surface Reduction of the heat transfer capacity of the evaporative cooling tower Episode.
Der Leistungsbeitrag der Tropfen, die sich zwischen den Rohrreihen befinden, wurde jedoch bisher stark überschätzt. Eine Rohrreihe faßt hierbei die geraden Rohrabschnitte zusammen, die in der gleichen horizontalen Ebene liegen. Es wurde festgestellt, daß eine Tropfenreduzierung in diesen rohrfreien Zwischenräumen nur eine geringe Reduzierung der gesamten Wärmeübertragungsleistung zur Folge hat. Das wird aber durch den stark anwachsenden Verdunstungsstrom, der von den Rieselfilmoberflächen der einzelnen Rohre an die umströmende Luft abgegeben wird, mehr als kompensiert. Die in vertikaler Richtung enger aneinander gerückten Rohre verursachen eine gleichmäßigere und intensivere Umströmung der Rohre, was zur Erhöhung der Verdunstungsrate, die als Verdunstungsstrom pro Übertragungsfläche definiert wird, führt. Es hat sich in dieser Hinsicht weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die vertikale Teilung möglichst gleichmäßig auszubilden. Die Verdunstungsrate wird durch die Wahl kleinerer Rohraußendurchmesser in einer bisher unbekannten Größenordnung verstärkt, so daß die erwünschte Erhöhung der flächenspezifischen Übertragungsleistung des Rohrschlangen-Wärmetauschers erreicht wird.The performance contribution of the drops located between the rows of pipes has been greatly overestimated so far. A row of pipes holds the straight ones Pipe sections together, which are in the same horizontal plane. It it was found that a drop reduction in these tube-free spaces only a small reduction in the total heat transfer performance has the consequence. But this is due to the rapidly increasing evaporation flow, from the trickle film surfaces of the individual pipes to the air flowing around them is more than compensated. The narrower in the vertical direction tubes that are moved together create a more uniform and intense tube Flow around the pipes, leading to an increase in the rate of evaporation Evaporation current per transmission area is defined leads. It got in In this regard, the vertical division has also been shown to be advantageous train evenly. The evaporation rate becomes smaller by choosing smaller ones Pipe outside diameter reinforced in a previously unknown order of magnitude, so that the desired increase in the area-specific transmission power of the Pipe coil heat exchanger is reached.
Weiterhin wird durch die verringerte Tropfenanzahl zwischen den Rohren der luftseitige Druckverlust reduziert, so daß der Luftdurchsatz erhöht werden kann. Das hat eine weitere Erhöhung der gesamten Übertragungsleistung zur Folge. Furthermore, due to the reduced number of drops between the tubes air pressure loss is reduced, so that the air throughput can be increased. This leads to a further increase in the total transmission power.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung entspricht der vertikale Abstand von Rohrmitte zu Rohrmitte der zu derselben Rohrschlange gehörenden geraden Rohrabsohnitte dem Doppelten der vertikalen Rohrteilung. Hierdurch ergibt sich auf die Querschnittsfläche rechtwinklig zur Längsrichtung der geraden Rohrabschnitte bezogen eine gleichmäßige Rohranordnung aller Rohre des Wärmetauschers mit dem Ergebnis einer kompakten Bauweise und einer erhöhten Leistungsfähigkeit.According to a further feature of the invention, the vertical distance corresponds from pipe center to pipe center of the straight line belonging to the same coil Pipe sections twice the vertical pipe pitch. This results in on the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal direction of the straight one Pipe sections covered a uniform pipe arrangement of all pipes of the Heat exchanger with the result of a compact design and an increased Performance.
Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung entspricht die vertikale Rohrteilung der Rohre dem Einfachen des äußeren hydraulischen Durchmessers. Die Rohre können erfindungsgemäß auch eine ovale Querschnittsform aufweisen. Schließlich können die Rohre berippt sein.In preferred embodiments of the invention, the vertical pipe division corresponds of pipes the simple of the outer hydraulic diameter. The pipes can also have an oval cross-sectional shape according to the invention. Finally the tubes can be finned.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdunstungskühlturms dargestellt, und zwar zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines mit einem Rohrschlangen-Wärmetauscher ausgestatteten Verdunstungskühlturms;
- Fig. 2
- einen Schnitt durch den Verdunstungskühlturm gemäß der Schnittlinie II - II in Fig. 1;
- Fig. 3
- einige mit Luft und Rieselwasser beaufschlagte, gerade Rohrabschnitte gemäß einem teilweisen Querschnitt durch den Rohrschlangen-Wärmetauscher in Fig. 1;
- Fig. 4
- eine vergrößerte Darstellung des Rohrschlangen-Wärmetauschers gemäß Fig. 2;
- Fig. 5
- einen modifizierten Rohrschlangen-Wärmetauscher gemäß Fig. 4;
- Fig. 6
- eine weiter modifizierte Rohrschlangenanordnung des erfindungsgemäßen Rohrschlangen-Wärmetauschers gemäß Fig. 4;
- Fig. 7
- einen vergrößert dargestellten Teilschnitt durch einige Schlangen des Rohrschlangen-Wärmetauschers gemäß der Schnittlinie VII - VII in Fig. 4 bzw. Fig. 5;
- Fig. 8
- einen der Fig. 7 entsprechenden Teilschnitt einer Rohrgeometrie nach dem Stand der Technik und
- Fig. 9
- ein Diagramm mit dem Flächenbedarf des erfindungsgemäßen Rohrschlangen-Wärmetauschers als Funktion des äußeren hydraulischen Durchmessers und der vertikalen Rohrteilung.
- Fig. 1
- is a schematic, partially sectioned side view of an evaporative cooling tower equipped with a coil coil;
- Fig. 2
- a section through the evaporative cooling tower along the section line II - II in Fig. 1;
- Fig. 3
- some straight pipe sections to which air and trickle water have been applied according to a partial cross section through the coil heat exchanger in FIG. 1;
- Fig. 4
- an enlarged view of the coil heat exchanger according to FIG. 2;
- Fig. 5
- a modified coil heat exchanger according to FIG. 4;
- Fig. 6
- a further modified pipe coil arrangement of the pipe coil heat exchanger according to the invention according to FIG. 4;
- Fig. 7
- an enlarged partial section through some coils of the coil heat exchanger according to the section line VII - VII in Fig. 4 and Fig. 5;
- Fig. 8
- 7 corresponding partial section of a tube geometry according to the prior art and
- Fig. 9
- a diagram with the area requirement of the coil coil heat exchanger according to the invention as a function of the outer hydraulic diameter and the vertical pipe pitch.
Der schematisch in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verdunstungskühlturm dient zur
Kühlung oder Kondensation von Fluiden und ist zu diesem Zweck mit einem
Rohrschlangen-Wärmetauscher 1 ausgestattet. Dieser besteht im wesentlichen
aus einer Mehrzahl von Rohrschlangen 2a und 2b, die in vertikalen Ebenen
liegend ohne Abstand dicht nebeneinander angeordnet sind. Die Rohrschlangen
2b sind in alternierender Folge zu den Rohrschlangen 2a in vertikaler Richtung
versetzt. Jede Rohrschlange 2a und 2b wird im Ausführungsbeispiel jeweils durch
sechs parallel zueinander und im gleichen Abstand übereinander liegende gerade
Rohrabschnitte 3a und 3b und diese miteinander verbindende Rohrbögen 4a und
4b gebildet, vgl. Fig. 2. Es ergeben sich somit zwölf vertikal übereinander
angeordnete Rohrreihen, wobei eine Rohrreihe jeweils die in einer horizontalen
Ebene nebeneinander liegenden geraden Rohrabschnitte 3a sowie 3b
zusammenfaßt.The evaporative cooling tower shown schematically in FIGS. 1 and 2 is used for
Cooling or condensing fluids and is for this purpose with a
Pipe
Sämtliche Rohrschlangen 2a und 2b sind an einen kastenförmigen Verteiler 5 und
einen Sammler 6 angeschlossen. Das zu kühlende bzw. zu kodensierende Fluid
wird durch einen Eintrittsstutzen 7 dem Verteiler 5 zugeführt und durch diesen auf
die einzelnen Rohrschlangen 2a und 2b verteilt. Die einzelnen Teilströme werden
anschließend durch den Sammler 6 wieder zusammengeführt. An diesem ist ein
Austrittsstutzen 8 angeschlossen, durch den das gekühlte bzw. kondensierte Fluid
abfließt.All
Die Kühlung des Fluids in den einzelnen Rohrschlangen 2a und 2b des Rohrschlangen-Wärmetauschers
1 erfolgt durch Luft. Dazu treibt ein Motor 9 über
einen Keilriemen 10 einen Radialventilator 11 an, der aus der Umgebung gemäß
den in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Pfeilen die Kühlluft ansaugt. Diese wird
durch die Austrittsöffnung 12 des Radialventilators 11 in den Verteilraum 13
gedrückt, um sie den einzelnen Rohrschlangen 2a und 2b von unten zuzuführen.
Zu diesem Zweck weist der Verdunstungskühlturm nach außen abschließende
Gehäusewände 14 auf.The cooling of the fluid in the
Die Rohrschlangen 2a und 2b des Rohrschlangen-Wärmetauschers 1 werden
zusätzlich mit Wasser beaufschlagt, um die Kühlwirkung der Luft durch Anwendung
der Verdunstungskühlung zu erhöhen. Das Wasser wird aus dem
Reservoir einer Kühlturmwanne 15 mit einer Pumpe 16 angesaugt und über eine
Steigleitung 17 der Düsenwasserverteilung 18 zugeführt. Diese besteht aus
mehreren nicht näher dargestellten Rohren und daran angebrachten Düsen, um
das Wasser über dem Rohrschlangen-Wärmetauscher 1 zu verteilen.The
Das Wasser wird in eine Vielzahl von Tropfen versprüht, die nach dem Auftreffen
auf den äußeren Oberflächen der geraden, horizontal verlaufenden
Rohrabschnitte 3a und 3b gemäß Fig. 3 dünne, nach unten ablaufende Rieselfilme
19 ausbilden. Am untersten Punkt 20 des jeweiligen Rohrquerschnittes fließt das
Rieselwasser in Form von Tropfen ab und fällt durch eine zwischen den Rohren
gebildete horizontale Ebene 21, wobei die Tropfen von der entgegenströmenden
Luft weiter zerteilt und in den Rohrzwischenräumen verteilt werden. Die Tropfen
treffen anschließend auf die unmittelbar darunter liegenden Rohre auf, wo weitere
Rieselfilme 19 gebildet werden. Das setzt sich von Rohr zu Rohr weiter fort.The water is sprayed into a multitude of drops, which after impact
on the outer surfaces of the straight,
Die Tropfen von den untersten Rohren des Rohrschlangen-Wärmetauschers 1
fallen gemäß Fig. 1 und 2 in den Verteilraum 13 und werden schließlich in der
Kühlturmwanne 15 gesammelt. Auf dem Weg von der Verteilung bis zur
Sammlung verdunstet von den Oberflächen der Rieseltropfen und -filme Wasser in
den entgegenströmenden Luftstrom hinein. Die mit Wasserdampf stark
angereicherte Luft durchströmt abschließend einen Tropfenabscheider 22, der
mitgerissene Wassertropfen zurückhält, und verläßt dann den Verdunstungskühlturm.
Der entstandene Verdunstungsverlust wird gemäß Fig. 2 durch Zusatzwasser
über die Leitung 23 ständig ergänzt. The drops from the bottom tubes of the
In Fig. 4 ist der Rohrschlangen-Wärmetauscher 1 gemäß den Fig. 1 und 2 vergrößert
dargestellt, um wesentliche konstruktive Details besser erkennen zu
können. Die geraden Rohrabschnitte 3a und 3b werden mit vorgefertigten
Rohrbögen 4a und 4b z.B. durch Verschweißen verbunden, um Rohrschlangen 2a
und 2b zu erhalten, die eine gleichmäßige vertikale Teilung s2 zwischen den
geraden Rohrabschnitten 3a und 3b aufweisen (siehe Fig. 7). Im
Ausführungsbeispiel entspricht dieser Wert dem 1,5-fachen des äußeren
hydraulischen Durchmessers dA und ist gleich dem Radius der Rohrbögen 4a und
4b bis zur Rohrmitte. Die Rohrschlangen 2a und 2b werden durch horizontal verlaufende,
streifenförmige Stützelemente 24, die ihrerseits an einem äußeren,
massiven Stützrahmen 25 befestigt sind, mehrfach abgestützt und in ihrer
räumlichen Lage positioniert.4, the coil
In Fig. 5 ist eine modifizierte Rohrschlangenausbildung des Rohrschlangen-Wärmetauschers
1 gemäß Fig. 1,2 und 4 dargestellt. Hierbei werden die geraden
Rohrabschnitte 3a und 3b nicht mit Rohrbögen, sondern mit kurzen, geraden
Rohrstücken 26a und 26b verbunden. Die Rohrenden werden zu diesem Zweck
unter einem 45°-Winkel angeschnitten. Die geraden Rohrstücke 26a und 26b sind
besonders einfach herzustellen und deshalb kostengünstiger gegenüber den
vorgefertigten Rohrbögen 4a und 4b gemäß Fig. 4. Sie erlauben außerdem, die
mittlere vertikale Teilung der geraden Rohrabschnitte 3a und 3b zueinander
problemlos auf den noch günstigeren 1,0-fachen Wert des äußeren hydraulischen
Durchmessers zu reduzieren.In Fig. 5 is a modified coil design of the
Das Ziel einer maximalen Wärmeübertragungsleistung des Verdunstungskühlturms
bedingt die Wahl eines äußeren hydraulischen Durchmessers, der kleiner 25
mm ist. Das kann dazu führen, daß die Fluidgeschwindigkeit in den Rohren zu
groß wird. Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt für diese Fälle eine
Anordnung von Rohrschlangen, die in vertikaler Richtung ineinander verschachtelt
sind. An den kastenförmigen Verteiler 28 und an den gleichartigen Sammler 29
werden die Rohrschlangen mit jeweils vier Rohrreihen angeschlossen. Das
entspricht gegenüber den bisherigen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2,4
und 5 einer Verdoppelung, so daß die innere Fluidgeschwindigkeit halbiert wird. The goal of maximum heat transfer performance of the evaporative cooling tower
requires the selection of an outer hydraulic diameter that is less than 25
mm is. This can cause the fluid velocity in the pipes to increase
gets big. A further exemplary embodiment according to FIG. 6 shows one for these cases
Arrangement of coils that are nested in the vertical direction
are. On the box-shaped
In Fig. 7 sind anhand einer Vergrößerung des Rohrschlangen-Wärmetauschers 1
gemäß den Fig. 4 und 5 einige Rohrschlangenabschnitte mit den bevorzugten
geometrischen Verhältnissen im Querschnitt dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
beträgt der äußere, dem hydraulischen Durchmesser dA
entsprechende Durchmesser des Rundrohres 18 mm; der innere
Rohrdurchmesser dI ist 15 mm; die mittlere horizontale Teilung s1 ist 37 mm und
die mittlere vertikale Teilung s2, die hier gleich dem Biegeradius rB ist, beträgt
27 mm. Die vertikale Teilung s2 ist gleichmäßig ausgebildet und entspricht hier
dem 1,5-fachen des äußeren Rohrdurchmessers dA.In FIG. 7, an enlargement of the pipe
Dieser Darstellung in Fig. 7 wird mit Fig. 8 eine dem Stand der Technik entsprechende Anordnung gegenübergestellt, die einen äußeren Rohrdurchmesser dA von 26 mm und eine vertikale Teilung s2 als Mittelwert aus den beiden vertikalen Versätzen s2a und s2b von 65 mm aufweist. Das entspricht dem 2,5-fachen des äußeren Rohrdurchmessers dA.This representation in FIG. 7 is compared with FIG. 8, an arrangement corresponding to the prior art, which has an outer tube diameter d A of 26 mm and a vertical division s 2 as the mean of the two vertical offsets s 2a and s 2b of 65 mm having. This corresponds to 2.5 times the outer pipe diameter d A.
Das Diagramm der Fig. 9 zeigt bei konstanter Kühlleistung die Kurvenverläufe für
die benötigte Oberfläche eines mit Luft beaufschlagten und zusätzlich mit Wasser
berieselten Rohrschlangen-Wärmetauschers 1 gemäß Fig. 1 bis 6 in Abhängigkeit
von seinen geometrischen Daten. Ausgangspunkt der Betrachtung stellt eine dem
bekannten Stand der Technik entsprechende geometrische Anordnung gemäß
Fig. 8 dar, die durch einen Außenrohrdurchmesser von 26 mm und ein vertikales
Teitungsverhältnis von 2,5 charakterisiert wird. Zur Bewältigung der Kühlleistung
wird bei dieser Rohrgeometrie eine definierte Oberfläche des Rohrschlangen-Wärmetauschers
von 100 % benötigt.The diagram of FIG. 9 shows the curves for constant cooling capacity
the required surface of an air and water
sprinkled coil
Verfolgt man die oberen Kurvenverläufe, die das Leistungsverhalten bei den bekannten vertikalen Teilungsverhältnissen von 2,0 bis 3,0 darstellen, so ist eine Verringerung der benötigten Wärmetauscheroberfläche erst bei relativ kleinen Rohrdurchmessern festzustellen. Die so erzielbare Materialeinsparung ist jedoch in Anbetracht der größeren Anzahl benötigter Rohre, die einen erhöhten Fertigungsaufwand bedeuten, nicht ausreichend.If you follow the upper curves that show the performance behavior of the represent known vertical division ratios of 2.0 to 3.0, is a Reduction of the heat exchanger surface required only with relatively small Determine pipe diameters. However, the material savings that can be achieved in this way are in Considering the larger number of pipes required, an increased Manufacturing effort means not enough.
Es ist in diesem Diagramm weiterhin deutlich zu erkennen, daß bei den bisher verwendeten Rohrdurchmessern von mehr als 25 mm das erfindungsgemäße vertikale Rohrteilungsverhältnis nur eine marginale Verringerung der benötigten Wärmetauscheroberfläche bewirkt. Erst bei äußeren hydraulischen Durchmessern dA kleiner als 25 mm wird eine signifikante Wirkung erzielt. Die benötigte Oberfläche fällt bei einer vertikalen Teilung kleiner als dem 2,0-fachen des Rohrdurchmessers mit kleiner werdendem äußeren hydraulischen Durchmesser besonders stark ab. Die Kurven verlaufen allerdings bei Durchmessern kleiner 16 mm wieder flacher. Weiterhin wurde festgestellt, daß eine noch kleinere vertikale Teilung als das 1,0-fache des äußeren hydraulischen Durchmessers wieder zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers führt, da infolge der dann sehr nahe aneinandergerückten Rohre ein steiler Anstieg des luftseitigen Druckverlustes zu verzeichnen ist.It can also be clearly seen in this diagram that, with the pipe diameters of more than 25 mm previously used, the vertical pipe division ratio according to the invention only brings about a marginal reduction in the heat exchanger surface required. A significant effect is only achieved with external hydraulic diameters d A smaller than 25 mm. The required surface area drops particularly sharply when the vertical pitch is smaller than 2.0 times the pipe diameter as the external hydraulic diameter becomes smaller. However, the curves are flatter again with diameters smaller than 16 mm. Furthermore, it was found that an even smaller vertical division than 1.0 times the outer hydraulic diameter again leads to a reduction in the performance of the heat exchanger, since, due to the pipes which are then moved very close together, there is a steep increase in the air-side pressure loss.
Diese grundsätzlichen Ergebnisse gelten auch für berippte Rohre und für Rohrformen, die von der Kreisform abweichen, wie z.B. das Ovalrohr. In diesen Fällen ist als Beurteilungsmaßstab der hydraulische Durchmesser anzusetzen.These basic results also apply to finned tubes and Pipe shapes that deviate from the circular shape, e.g. the oval tube. In these In each case, the hydraulic diameter should be used as the standard of assessment.
Claims (5)
- Evaporation cooling tower for the cooling or condensation of fluids by means of cooling air, with at least one tube-coil heat exchanger (1) which is additionally loaded by water and of which tube coils (2a,2b) consisting of straight tube portions (3a,3b) and of tube bends (4a, 4b) connecting these tube portions (3a, 3b) are connected at their start to a distributor (5) and at their end to a collector (6), in such a way that the straight tube coils (2a, 2b) running essentially horizontally and adjacent to tube portions (3, 3b) lying in the same plane are arranged with a division (s1) of between once and three times their hydraulic outside diameter (dA), the straight tube portions (3a, 3b) located directly next to one another being arranged so as to be offset to one another in the direction of flow of the water loading the tube coils (2a, 2b) and with an average vertical tube division (s2) from tube centre to tube centre of between once and twice the hydraulic outside diameter (dA) characterized in that the hydraulic outside diameter (dA) of the straight tube portions (3a, 3b) of the tube coils (2a, 2b) is designed to be smaller than 25 mm by an amount such that a significant increase in the area-specific transmission capacity of the tube-coil heat exchanger (1) is achieved.
- Evaporation cooling tower according to Claim 1, characterized in that the vertical distance from tube centre to tube centre of the straight tube portions (3a and 3b) belonging to the same tube coil (2a and 2b respectively) corresponds to double the vertical tube division (s2).
- Evaporation cooling tower according to Claim 1 or 2, characterized in that vertical tube division (s2) of the tubes corresponds to once the hydraulic outside diameter (dA).
- Evaporation cooling tower according to at least one of Claims 1 to 3, characterized in that the tubes have an oval cross-sectional shape.
- Evaporation cooling tower according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the tubes are ribbed.
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