EP0943882A2 - Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln - Google Patents

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EP0943882A2 EP99103889A EP99103889A EP0943882A2 EP 0943882 A2 EP0943882 A2 EP 0943882A2 EP 99103889 A EP99103889 A EP 99103889A EP 99103889 A EP99103889 A EP 99103889A EP 0943882 A2 EP0943882 A2 EP 0943882A2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
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    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the invention relates to a dry cooling tower for the hybrid liquefaction of refrigerants, with a water-wettable, air-side heat transfer surface to liquefy the refrigerant by means of ambient air drawn in as a coolant by means of at least one fan and evaporation of circulated water.
  • Hybrid dry air coolers are known (EP 428 647 B1), in which the medium to be cooled, for example water or water-glycol mixture, the primary cooling circuit Flows through the fin heat exchanger and the cooling fins to the air flow to be removed Emits heat. Fans draw the air flow through the heat exchanger and always have the same speed.
  • the wetting water is integrated in the cooler Collecting tray in open channels via two V-shaped heat exchanger elements pumped where it is unaffected by the air flow on the air side heat transfer surface is abandoned. The excess drips directly under the heat exchanger elements Water back into the collecting bowl.
  • Such dry cooling towers are normally set to a maximum allowable air pollution designed, which is given by the fact that when the heat exchanger is wetted, no drip flight arises.
  • hybrid here means the hermaphrodite mode of operation of the drying tower, namely once without wetting the heat exchanger with water and secondly with wetting.
  • the object of the invention is now to design the dry cooling tower so that it suitable for the hybrid liquefaction of refrigerants.
  • the dry cooling tower has a heat exchanger has by which to heat or pre-cool the hot gas of the refrigerant dry ambient air is divided into a desuperheater and a condenser, the latter wettable with water and the desuperheater for the liquefaction and subcooling of the hot gas is connected downstream and both the desuperheater and the condenser are flowed through by cooling air become.
  • variable-speed fans can be used a fact that is essential in cases where the cooling tower / condenser works below the design point and in the partial load range because then the power consumption and thus the power consumption of the fans is considerably lower.
  • water is also saved because the air pollution decreases the proportion of convective heat emission increases.
  • the wetting water tends to increase on the colder Trickle down the heat exchanger part.
  • the one located in the warmer heat exchanger part The lamella surface remains dry and transfers sensitive heat to the pre-cooled air. Through the reduced evaporation surface, less latent heat is dissipated and water consumption decreases significantly.
  • a device can be located in the area of the remaining part of the upper end face Provide for the water to be used to wet the condenser.
  • the cooling tower head 13 is equipped with a fan 11 which is driven by a motor 14 is, whose speed is adjustable and the cooling air in the direction of arrows A in the Sucks in the tower, which leaves it again in the direction of arrow B on the tower head.
  • a heat exchanger 2 which is inclined to the longitudinal axis 6, so that it with its counterpart on the other side of this axis forms a V-arrangement which forms the Küblturmkopf 13 expanded.
  • the heat exchanger 2 consists of a desuperheater 3 and a condenser 4, which is arranged below the desuperheater and thus further from the cooling tower head is more distant than the desuperheater.
  • the desuperheater is used to heat or pre-cool the hot gas of the refrigerant that is supplied at the hot gas inlet 15.
  • the desuperheater 3 is expediently, just like the condenser 4 connected to it, a finned heat exchanger.
  • the condenser can be wetted with water, which is applied to its upper end face 8 with the aid of a device 9 and, together with the cooling air, serves to liquefy and subcool the gaseous refrigerant, for example NH 3 .
  • the desuperheater 3 and the condenser 4 are offset from one another arranged that the lower end face 7 of the desuperheater 3 only part of the upper end face 8 of the Condenser 4 covered, so that in the area of the remaining part of the upper end face 8 over a device 9 water can be given to the condenser to its heat exchange surface to wet.
  • the pipe coil 12 of the desuperheater 3 carrying the refrigerant goes directly into the raw coil 10 leading the refrigerant of the condenser 4.
  • the wetting water applied to the fins of the condenser with the aid of the feed device 9 is from a tub 21 at the bottom of the dry cooling tower with the help of a pump 19 supplied via a riser 16 and after draining from the condenser in the above Tub collected again.
  • a fresh water connection 17 is used to evaporate Add water while the water level in the tub 21 using a level probe 18th is kept at a desired level. This probe influences the fresh water supply 17.
  • the level probe also serves to protect the pump 19 from running dry.
  • the hybrid liquefaction of the refrigerant, using the heat exchanger described above 2 is achieved has the advantage that the hot refrigerant gas, for example with a Temperature of 130 ° C at 15 enters the desuperheater 3, initially only cooled with cooling air so far is, for example at 40 ° C, that then liquefaction in the condenser 4 with the help of cooling air and wetting water can take place without the latter evaporating too much.
  • the liquefied coolant then emerges at 23 from the finned heat exchanger 4, for example a temperature of 38 ° C.
  • the cooling capacity of the ambient air drawn in as cooling air is thermal by air temperature control and / or mechanically by means of the heat exchanger downstream baffles depending on the temperature of the hot gas of the refrigerant adjustable.
  • the heater and also the condenser can improve the Wetting the condenser with water within the cooling tower in a structurally separate manner Form units.
  • the condenser as well as the heater can consist of several independent, interconnected units exist that are connected in parallel or in series are.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Trockenkühlturm (1) für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche (2) zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator (11) angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Trockenkühlturm (1) so auszubilden, daß er sich für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln eignet. Sie wird dadurch gelöst, daß der Trockenkühlturm einen Wärmeaustauscher (2) aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer (3) und einen Verflüssiger (4) aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer (3) nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer (3) als auch der Verflüssiger (4) von Kühlluft durchströmt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser.
Es sind hybride Trockenluftkühler bekannt (EP 428 647 B1), bei denen das zu kühlende Medium, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, des primären Kühlkreislaufes einen Lamellenwärmeaustauscher durchströmt und über die Kühllamellen an den Luftstrom die abzuführende Wärme abgibt. Ventilatoren saugen den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch und haben immer dieselbe Drehzahl. Das Benetzungswasser wird aus einer im Kühler integrierten Sammelschale in offene Kanäle über zwei V-förmig angeordnete Wärmeaustauscherelemente gepumpt, wo es unbeeinflusst vom Luftstrom auf die luftseitige Wärmeübertragungsfläche aufgegeben wird. Unmittelbar unter den Wärmeaustauscherelementen tropft das überschüssige Wasser in die Sammelschale zurück.
Derartige Trockenkühltürme werden normalerweise auf eine maximal zulässige Luftbelastung ausgelegt, die dadurch gegeben ist, daß bei der Benetzung des Wärmeaustauschers kein Tropfenflug entsteht. Der für 100 %ige Kühllast berechnete Umschaltpunkt von Trockenbetrieb auf Naßbetrieb, also Benetzung, verschiebt sich bei der üblichen Teillast im mittleren Temperaturbereich zu höheren Lufttemperaturen, wodurch der hybride Trockenkühlturm über mehr als die Hälfte seiner jährlichen Betriebszeit trocken, also ohne Benetzung, betrieben werden kann und somit kein Wasser benötigt.
Der Begriff "hybrid" steht also hier für die Zwitterbetriebsweise des Trockenturms, nämlich einmal ohne Benetzung des Wärmeaustauschers mit Wasser und zum anderen mit Benetzung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Trockenkühlturm so auszubilden, daß er sich für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Trockenkühlturm einen Wärmeaustauscher aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer und einen Verflüssiger aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer als auch der Verflüssiger von Kühlluft durchströmt werden.
Auf diese Weise ist eine Direktverflüssigung von Kältemitteln nach dem gleichen Prinzip wie die hybride Trockenkühlung möglich, nur mit dem Unterschied, daß die Erhitzung des Heißgases in einem kleinen Kühlerteil mittels trockener Umgebungsluft erfolgt. Je tiefer dabei die Kühlmedium- oder Verflüssigungstemperatur im Auslegungspunkt des Trockenkühlturms angesetzt wird, desto größer wird die erforderliche Wärmeübertragungsfläche. Mit größeren Wärmeübertragungsflächen läßt sich die Wärme im tieferen Lufttemperaturbereich ohne Benetzung des Wärmeaustauschers an die Umgebungsluft abführen. Obgleich durch die zusätzlichen Einrichtungen, die für die hybride Verflüssigung im Trockenkühlturm vorgesehen werden müssen, ein höherer Kostenaufwand getrieben wird, werden diese Zusatzkosten durch niedrigere Betriebskosten kompensiert. Einerseits werden tiefe Kühlmedium-/Verflüssigungstemperaturen angestrebt, um die Verdichterleistung der Kältemaschine klein zu halten, andererseits wird auch eine erhebliche Menge an Kühlwasser eingespart, eine Tatsache, die bei steigenden Wasserpreisen bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ins Gewicht fällt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
So können zur Einsparung von Energie drehzahlveränderliche Ventilatoren verwendet werden, eine Tatsache, die für die Fälle von wesentlicher Bedeutung ist, in denen der Kühlturm/Verflüssiger unterhalb des Auslegungspunktes und im Teillastbereich arbeitet, weil dann der Stromverbrauch und damit die Leistungsaufnahme der Ventilatoren erheblich geringer ist. Mit einer Drehzalregelung wird aber auch Wasser eingespart, da sich mit abnehmender Luftbelastung der Anteil der konvektiven Wärmeabgabe erhöht. Sobald sich nämlich die Luftbelastung des Kühlturms verringert, hat das Benetzungswasser die Tendenz, vermehrt an dem kälteren Wärmeaustauscherteil herunterzurieseln. Die in dem wärmeren Wärmeaustauscherteil befindliche Lamellenfläche bleibt trocken und überträgt sensible Wärme an die vorgekühlte Luft. Durch die verkleinerte Verdunstungsoberfläche wird weniger latente Wärme abgeführt und der Wasserverbrauch geht erheblich zurück.
Wenn der Enthitzer und der Verflüssiger oberhalb des Verflüssigers so zueinander versetzt werden, daß die untere Stirnseite des Enthitzers nur einen Teil der oberen Stirnseite des Verflüssigers bedeckt, läßt sich im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite eine Vorrichtung zur Aufgabe des Wasser vorsehen, mit dem der Verflüssiger benetzt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine schematische Seitenansicht der einen Hälfte des Trockenkühlturms und
Fig. 2
eine im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerte schematische Seitenansicht des Wärmeaustauschers des Trockenkühlturms, bestehend aus einem hybriden Verflüssiger und einem separaten, trockenen Enthitzer für das Heißgas oberhalb des Verflüssigers.
Von dem in Fig. 1 dargestellten Trockenkühlturm 1, der herkömmlicher Bauart entspricht, ist nur die eine Hälfte gezeigt, die sich auf der rechten Seite seiner Längsachse 6 befindet, die die Symmetrieachse bildet, so daß die linke Hälfte im wesentlichen gleichermaßen ausgebildet ist.
Der Kühlturmkopf 13 ist mit einem Ventilator 11 ausgestattet, der von einem Motor 14 angetrieben wird, dessen Drehzahl regulierbar ist und der in Richtung der Pfeile A Kühlluft in den Turm einsaugt, die diesen in Richtung des Pfeils B am Turmkopf wieder verläßt. Im Trockenkühlturm befindet sich ein Wärmeaustauscher 2, der zur Längsachse 6 geneigt ist, so daß er mit seinem Gegenüber jenseits dieser Achse eine V-Anordnung bildet, welche sich zum Küblturmkopf 13 hin erweitert. Der Wärmeaustauscher 2 besteht aus einem Enthitzer 3 und einem Verflüssiger 4, der unterhalb des Enthitzers angeordnet ist und damit vom Kühlturmkopf weiter entfernt liegt als der Enthitzer. Der Enthitzer dient zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels, das am Heißgaseintritt 15 zugeführt wird.
Der Enthitzer 3 ist zweckmäßigerweise ebenso wie der sich an ihn anschließende Verflüssiger 4 ein Lamellenwärmeaustauscher. Der Verflüssiger ist mit Wasser benetzbar, das mit Hilfe einer Vorrichtung 9 an seiner oberen Stirnseite 8 aufgegeben wird und zusammen mit der Kühlluft zur Verflüssigung und Unterkühlung des gasförmigen Kältemittels, beispielsweise NH3, dient.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind der Enthitzer 3 und der Verflüssiger 4 so zueinander versetzt angeordnet, daß die untere Stirnseite 7 des Enthitzers 3 nur einen Teil der oberen Stirnseite 8 des Verflüssigers 4 bedeckt, so daß im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite 8 über eine Vorrichtung 9 Wasser dem Verflüssiger aufgegeben werden kann, um seine Wärmeaustauschoberfläche zu benetzen. Die das Kältemittel führende Rohrschlange 12 des Enthitzers 3 geht direkt in die das Kältemittel des Verflüssigers 4 führende Rohischlange 10 über.
Das mit Hilfe der Aufgabevorrichtung 9 auf die Lamellen des Verflüssigers aufgebracht Benetzungswasser wird aus einer Wanne 21 am Boden des Trockenkühlturms mit Hilfe einer Pumpe 19 über eine Steigleitung 16 zugeführt und nach dem Ablaufen aus dem Verflüssiger in der genannten Wanne wieder aufgefangen. Ein Frischwasseranschluß 17 dient dazu, das verdunstete Wasser zu ergänzen, während der Wasserstand in der Wanne 21 mit Hilfe einer Niveausonde 18 auf einer gewünschten Höhe gehalten wird. Diese Sonde beeinflußt die Frischwasserzuführ 17. Die Niveausonde dient außerdem dazu, die Pumpe 19 vor Trockenlauf zu schützen.
Da bei Benetzung des Verflüssigers durch Verdunstung von reinem Wasser der Salzgehalt und die Konzentration der Härtebildner im umlaufenden Benetzungswasser steigen, wird die Wasserqualität über eine nicht dargestellte Meßvorrichtung dadurch konstant gehalten, daß von Zeit zu Zeit mit Hilfe der Abschlämmungseinrichtung 20 "aufkonzentriertes" Benetzungswasser abgelassen wird, um mit Hilfe von bei 17 zufließendem Frischwasser die verlangte Qualität des Benetzungswassers wieder herzustellen.
Die hybride Verflüssigung des Kältemittels, die mit Hilfe des oben beschriebenen Wärmeaustauschers 2 erreicht wird, hat den Vorteil, daß das heiße Kältemittelgas, das beispielsweise mit einer Temperatur von 130 °C bei 15 in den Enthitzer 3 eintritt, zunächst nur mit Kühlluft so weit abgekühlt wird, beispielsweise auf 40 °C, daß dann eine Verflüssigung im Verflüssiger 4 mit Hilfe von Kühlluft und Benetzungswasser erfolgen kann, ohne daß letzteres zu stark verdunstet. Das verflüssigte Kühlmittel tritt dann bei 23 aus dem Lamellenwärmeaustauscher 4 beispielsweise mit einer Temperatur von 38 °C aus.
Für die Betriebsphase des Trockenkühlturms bei der hybriden Verflüssigung des Kältemittels ist ein wichtiger Faktor, daß die Drehzahl des Ventilators so gesteuert wird, daß bei maximaler Drehzahl die Lamellen des Verflüssigers über die ganze Tiefe des Wärmeaustauschers, gemessen in Luftströmungsrichtung, benetzt werden und bei reduzierter Ventilatordrehzahl nur der kältere Teil beim Rücklauf. Dadurch wird zum einen kein Tropfenaustrag aus dem Wärmetauscher bewirkt und zum anderen eine Reduzierung des Wasserverbrauches mit steigendem Anteil konvektiver Wärmeübertragung.
Die sonstigen konstruktiven Merkmale des Trockenkühlturms sind vom Fachmann in Anpassung an die jeweiligen Umstände mit dem Ziel eines möglichst günstigen Wirkungsgrades bei niedrigen Kosten wählbar, wobei auch weitere Ausstattungsmerkmale, beispielsweise ein Einstieg 22 in den Innenraum des Trockenkühlturms, Berücksichtigung finden können.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung, die jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt sind, ist die Kühlkapazität der als Kühlluft angesaugten Umgebungsluft thermisch durch Lufttermperatursteuerung und/oder mechanisch mittels dem Wärmetauscher vor- oder nachgeschalteter Schikanen in Abhängigkeit von der Temperatur des Heißgases des Kältemittels einstellbar. Darüber hinaus können der Erhitzer und auch der Verflüssiger zur Verbesserung der Benetzung des Verflüssigers mit Wasser innerhalb des Kühlturms baulich voneinander getrennte Einheiten bilden. Der Verflüssiger als auch der Erhitzer können aus mehreren selbständigen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen, die zueinander parallel oder in Reihe geschaltet sind.

Claims (12)

  1. Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockerkühlturm (1) einen Wärmeaustauscher (2) aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer (3) und einen Verflüssiger (4) aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer als auch der Verflüssiger von Kühlluft durchströmt werden.
  2. Trockenkühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer (3) und der Verflüssiger (4) Wärmeaustauscher sind, die bezüglich ihrer Längsachse (5), die zur Längsachse (6) des Trockenkühlturms geneigt ist, gegeneinander versetzt sind.
  3. Trockenkühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (3, 4) Lamellenwärmeaustauscher sind.
  4. Trockenkühlturm nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (3, 4) so zueinander versetzt sind, daß die untere Stirnseite (7) des Enthitzers (3) nur einen Teil der oberen Stirnseite (8) des Verflüssigers (4) bedeckt und daß im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite (8) eine Vorrichtung (9) zur Aufgabe des Wassers vorgesehen ist, mit dem der Verflüssiger benetzt wird.
  5. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kältemittel führende Rohrschlange (12) des Enthitzers (3) direkt in die das Kältemittel des Verflüssigers (4) führende Rohrschlange (10) übergeht.
  6. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug auf die Längsachse (6) des Trockenkühlturms (1) zwei Wärmeaustauscher (2) einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sie mit ihren Längsachsen (5) ein V bilden.
  7. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftstrom mit Hilfe wenigstens eines Ventilators (11), dessen Drehzahl regulierbar ist, durch den Turm hindurchsaugbar ist.
  8. Trockehkühlturm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des oder der Ventilatoren (11) so bemessen ist, daß selbst bei höchster Drehzahl und damit maximaler Luftbelastung an der benetzten Oberfläche des Verflüssigers (4) kein Tropfenaustrag erfolgt.
  9. Trockerkühlturm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei maximaler Ventilatordrehzahl der Wärmeaustauscher über die ganze Tiefe und bei reduzierter Ventilatordrelzahl nur der kältere Teil beim Rücklauf benetzbar ist.
  10. Trockenkülturm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkapazität der als Kühlluft angesaugten Umgebungsluft thermisch durch Lufttermperatursteuerung und/oder mechanisch mittels dem Wärmetauscher (2) vor- oder nachgeschalteter Schikanen in Abhängigkeit von der Temperatur des Heißgases des Kältemittels einstellbar ist.
  11. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (3) und der Verflüssiger (4) zur Verbesserung der Benetzung des Verflüssigers (4) mit Wasser innerhalb des Kühlturms baulich von einander getrennte Einheiten bilden.
  12. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Verflüssiger (4) als auch der Erhitzer (3) aus mehreren selbständigen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen, die zueinander parallel oder in Reihe geschaltet sind.
EP99103889A 1998-03-20 1999-03-01 Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln Expired - Lifetime EP0943882B1 (de)

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DE29805111U DE29805111U1 (de) 1998-03-20 1998-03-20 Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln

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EP0943882A2 true EP0943882A2 (de) 1999-09-22
EP0943882A3 EP0943882A3 (de) 2000-08-23
EP0943882B1 EP0943882B1 (de) 2003-09-24

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