DE1501393A1 - Kuehlturmeinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlturmeinsatz, der aus länglichen Elementen, wie Stäben und Bändern aufgebaut ist, die von der nach unten gekehrten Fläche einer schrägen Wasserverteilplatte benetzt werden, wobei das Wasser mittels mindestens einer Düse großen Querschnittes in wesentlich horizontaler Richtung der Unterseite der Wasserverteilplatte zugeführt wird.

Das in den verschiedenen industriellen Anlagen und auch in Hausanlagen (Klimaanlagen) warm gewordene Kühlwasser wird, falls seine Wiederverwendung wirtschaftlich ist, in einem Kühlturm rückgekühlt. Den überwiegenden Teil der Kühltürme bilden die sogenannten nassen Kühltürme. In diesen wird das warm gewordene Kühlwasser mit der Umgebungsluft in intensive Berührung gebracht, was zur Folge hat, dass nach der Verdunstung eines Teiles - in der Praxis 1/30 - 1/50 - des Kühlwassers der zurückbleibende überwiegende Teil rückgekühlt und für Kühlungszwecke wieder geeignet wird.

Es sind zahlreiche Kühlturmvorrichtungen bekannt, welche die intensive Berührung zwischen der Umgebungsluft und dem warm gewordenen Kühlwasser ermöglichen. Der wesentlichste Teil dieser Vorrichtungen ist in jedem Fall der sogenannte Kühlturmeinsatz, der aus Holz, Kunststoff, Asbestzement, Glas, usw. hergestellt wird und auf dessen Fläche der Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem Kühlwasser und der Luft zustandekommt.

Der Wärme- und Stoffaustausch vollzieht sich auf den Kühlturmeinsätzen folgendermaßen: Das Kühlwasser wird möglichst gleichmäßig verteilt auf die Fläche des Einsatzes geleitet. Unter der Einwirkung der Schwerkraft abwärts strömend bildet das Kühlwasser auf der Fläche einen Wasserfilm. Die Kühlluft strömt mit Hilfe eines Ventilators oder eines Naturzug-Schlotes neben der benetzten Fläche im Verhältnis zum abwärts strömenden Wasser in Gegen- oder Kreuzstrom, eventuell im sogenannten gemischten Strom vorbei.

Im Interesse einer gleichmäßigen Benetzung der gesamten Fläche des Einsatzes wird das Wasser in allgemeinen mittels entsprechender Düsen zerstäubt auf den Einsatz geleitet. Da an der Einsatzfläche Luft vorbeiströmt, müssen die infolge der Zerstäubung entstandenen Tröpfchen durch den Luftstrom auf die Fläche gelangen, deshalb reißt der Luftstrom die kleineren Tropfen unvermeidlich mit. Um die damit verbundene Kühlwasserluft zu eliminieren, stehen die folgenden Anordnungsmöglichkeiten zur Verfügung, welche jedoch jeweils mit den im nachstehenden geschilderten Nachteilen verbunden sind:

a) In den Luftstrom werden nach dem Einsatz Tropfenabscheider eingebaut. Diese arbeiten jedoch nur dann einwandfrei, wenn ihr Luftwiderstand groß ist, sie steigern also die Leistungsaufnahme der Ventilation bzw. im Falle einer Natur-Anlage die Höhe des Kühlturmes bedeutend.

b) Es gibt solche Anordnungen, wo sich die Düsen und der Oberteil der Einsätze nicht im Luftstrom befinden, hier ist die Gefahr des Tropfenmitreißens kleiner. Ihr Nachteil besteht aber darin, dass ein sehr bedeutender toter Raum entsteht und dass das Oberteil des Einsatzes unausgenützt bleibt.

Im Zusammenhang mit den erwähnten Ausführungen soll noch bemerkt werden, dass bei der Kühlwasserzerstäubung eine bedeutende Arbeit gegen die Oberflächenspannung zu leisten ist, und deshalb sogar der Widerstand der besten Zerstäubungsdüsen eine Größenordnung von einigen Metern Wassersäule aufweist.

Es kann ferner ein Kühlturmeinsatz so ausgebildet werden, dass auf dessen Fläche das Kühlwasser ohne Tropfenbildung, durch einen dünnen Spalt, einen Film bildend, gelangt; diese Konstruktion ist jedoch nur zur Benetzung einiger großer Platten geeignet. Eine derartige Benetzung der modernen, feineren und komplizierteren Kompakteinsätze ist technisch schwer durchführbar. Die schmalen Spalten neigen außerdem zur Verstopfung und beanspruchen deshalb eine sorgfältige Betriebsführung und Instandhaltung, die bei durchschnittlichen Betriebsverhältnissen nicht gesichert werden können.

Die Abmessungen der Einsätze (ihre Tiefe) in Richtung der Luftströmung ist im allgemeinen groß und die Flächen sind in Tiefenrichtung zusammenhängend ausgebildet oder wenigstens schwach gegliedert. Infolgedessen verdickt sich die an der Fläche des Wasserfilms entlang entstehende wärme- und stoffübertragende Grenzschicht des Luftstromes derart, dass die Fläche am Luftaustrittende des Einsatzes praktisch wertlos ist und die durchschnittlichen Wärme- und Stoffübergangszahlen des ganzen Einsatzes bedeutend unter den Werten bleiben, die an seinem dem Lufteintritt nahe liegenden Teil messbar sind.

Aus der Thermodynamik ist längst bekannt, welche günstige Wirkung auf den Wärmeaustausch und natürlich auch auf den Stoffaustausch die Unterbrechung der Grenzschicht, die Anwendung von in der Strömungsrichtung kurzen Flächen (in der Größenordnung von 0,5-1 mm) ausüben. In Kühltürmen wurde bisher diese Erkenntnis nicht verwertet, weil kein solches Benetzungsverfahren bekannt war, somit die sehr große Zahl der nötigen Bänder oder Stäbe (Drähte) gleichmäßig hätte benetzt werden können. Das Zerschneiden der Fläche in schmale Streifen, Stäbe, Drähte, erhöht nämlich stark den Luftwiderstand: die verbessernde Wirkung wird erst durch den gleichzeitig auftretenden viel größeren Wärme- und Stoffaustausch erzielt, dessen Vorbedingung jedoch die gleichmäßige und vollständige Benetzung ist. Bei schlechter ungleichmäßiger, bzw. unvollkommener Benetzung kann das Zerschneiden der Fläche die auf den luftseitigen Strömungswiderstand bezogene Wärme- und Stoffübergabe sogar verschlechtern.

Gegenstand der Erfindung ist ein solcher Kühlturmeinsatz, in welchen das zu verteilende Wasser aus dem Wasserverteilkanälen oder -rohren zuerst in Düsen von großem Querschnitt gelangt. Der aus den Düsen nahezu horizontal austretende Wasserstrahl gelangt auf die untere Fläche einer Wasserverteilplatte und bildet auf derselben einen Wasserfilm. Die Fläche der Wasserverteilplatte ist eben oder gekrümmt, auf alle Fälle nach unten geneigt, und der sich darauf ausbreitende zusammenhängende Wasserfilm wird durch die zwischen der Fläche der Wasserverteilplatte und dem Wasserfilm auftretenden Oberflächenkräfte sowie durch die im Wasserfilm auftretenden Massenkräfte gegen die vorhandenen Gravitationskräfte auf der Platte gehalten.

Es ist zwar eine solche Kühlturmkonstruktion bekannt, bei welcher sich das aus den Düsen herausströmende Wasser auf der nach unten gekehrten Fläche einer Platte, einen Film bildend, verteilt. Bei dieser Konstruktion wird aber das Wasser von der Verteilfläche durch entsprechend ausgebildete Abscheider auf den unter der Verteilfläche, davon in großer Entfernung angebrachten Einsatz gespritzt. Der Zweck der Anordnung ist hier bloß, dass das Wasser auch in solche Teile des Kühlturmes gelangt, wohin die spritzenden Tellerverteiler das Wasser nicht befördern können. Diese Anordnung schließt weder eine Tropfenbildung aus, noch bewirkt sie die kontinuierliche und gleichmäßige Benetzung aller Einsatzteile. Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Kühlturmeinsatzes ist es, die Zerlegung des Wassers in Tropfen vollständig zu vermeiden und die Benetzung auf solche Weise zu lösen, dass die Anwendung von in der Strömungsrichtung kurzen Flächen, z. B. von Bändern, Stäben, Drähten ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Kühlturmeinsatz der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass den Kühlturmeinsatz bildende längliche Elemente der nach unten gekehrten Fläche der Wasserverteilplatte von unten derart angeschlossen sind, dass an der Anschlussstelle der länglichen Elemente je eine Umleitfläche angewendet wird, welche Umleitfläche sich sowohl der Wasserverteilplatte als auch den länglichen Elementen ohne Spalt oder einem der beiden mit einem Spalt bzw., der nicht größer als 3 mm ist anschließt.

Zweckmäßig weisen die an der Anschlussstelle je eines Elementes und der Wasserverteilplatte angewendeten Umleitelemente eine dem auf der Wasserverteilplatte strömenden Kühlwasserfilm zugekehrte Umleitfläche auf, die aus der Strömungsrichtung des Kühlwasserfilmes gesehen eine konkave oder im Grenzfall ebene Form aufweist und tangential oder unter einem stumpfen Winkel oder im Grenzfall einen Winkel von 90° einschließend der Wasserverteilplatte angeschlossen ist, und im Verhältnis zu den Komponenten des Stabes bzw. zu einer nach unten laufenden Kante des Stabes tangential oder unter einem stumpfen Winkel der Fläche des länglichen Elementes angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildungsform hat die nachstehenden

Vorteil zur Folge: Das Wasser zerfällt nicht in Tropfen, deshalb unterbleiben der Tropfenverlust und sämtliche damit verbundene Nachteile. Die verwendeten Düsen dienen nur dem Zweck, einen einige Zentimeter langen, annähernd horizontalen Wasserstrahl zu erzeugen, deshalb kann in diesen Düsen die Geschwindigkeit des Wassers gering sein. Dieser Umstand ermöglicht die Anwendung eines weiten Querschnittes, was die Gefahr der Verstopfung eliminiert und eine sehr kleine Druckhöhe, geringe Pumpenarbeit zur Folge hat. Die bedeutendste Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung aber besteht darin, dass die beschriebene Wasserverteilung die Anwendung schmaler benetzter Flächen (Bänder, Stäbe, Drähte) ermöglicht, was mit den bereits erwähnten sehr bedeutenden Vorteilen zusammenhängt. Zwecks Veranschaulichung des sich aus der Unterbrechung der Grenzschicht ergebenden thermischen Vorteils soll erwähnt werden, dass es auf die beschriebene Weise gelungen ist, einen solcher Einsatz zu konstruieren, dessen Volumen - die gleiche Kühlleistung und Ventilationsleistung voraussetzend - annähernd zehnfach kleiner ist, als das Volumen des gegenwärtig auf der Welt bekannten besten Kühlturmeinsatzes.

Es ist zweckmäßig, das Umlenkelement mit einer dem Kühlwasserfilm zugekehrten Umlenkfläche zu versehen, die in Strömungsrichtung des Kühlwasserfilms gesehen, eine von der konvexen abweichende Form aufweist. Wäre nämlich die Umlenkfläche konvex, so fließt das Wasser neben der Abscheiderfläche weiter, und die Umlenkfläche würde kein einwandfreies Abheben des Wasserfilms sichern.

Vorteilhaft ist ferner, wenn die Umlenkfläche unter mindestens 90° an die Wasserverteilplatte und tangential oder unter einem Winkel, der größer ist als 90°, an den Stab angeschlossen wird.

Diese Maßnahmen gewährleisten, dass das auf die Umlenkfläche strömende Wasser in die Richtung des Stabes gelenkt wird. Falls der Winkel ein spitzer Winkel ist, wird das Umlenken unsicher, das Wasser fließt neben der Umlenkfläche weiter und gelangt nicht auf den Stab.

Die Einhaltung der erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleistet einen tropfenfreien kontinuierlichen Wasserfilm, auch in dem Fall, wenn zwischen dem Stab und der Umlenkfläche ein Spalt vorhanden ist.

Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erörtert.

Fig. 1 ist die schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kühlturmeinsatzes. Fig. 2 veranschaulicht perspektivisch in größerer Darstellung eine Ausführungsform mit länglichen Elementen von Kreisquerschnitt. Fig. 3 stellt eine Ausführungsform mit länglichen Elementen von Rechteckquerschnitten dar, wo das Umleitelement zur Verteilfläche schräg angeordnet ist. Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform mit länglichen Elementen von Rechteckquerschnitt, jedoch mit einem zur Verteilfläche senkrecht angebrachten Umleitelement.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird beim erfindungsgemäßen Kühlturmeinsatz die eigentliche Einsatzfläche aus senkrechten oder mit der Vertikale einen Winkel bildenden länglichen Elementen sowie Stäben, Drähten oder Bändern 4 von kreisförmigem, tropfenförmigem, ovalem usw. Querschnitt gebildet, die sich an die Wasserverteilplatte 2 von unten unmittelbar oder mit einem sehr kleinen Spalt anschließen. Das Wasser tritt aus mindestens einer Düse 1 mit geringer Geschwindigkeit aus, und gelangt in einem zusammenhängenden - also nicht in Tropfen zerfallenden - Strahl auf die nach unten gekehrte Fläche der Wasserverteilplatte 2 und bildet darauf einen zusammenhängenden Wasserfilm. Die Luft 5 strömt zwischen den Stäben (Bändern) 4 hindurch. An den Anschlussstellen 6 der Stäbe (Bänder) 4 an die Verteilplatte 2 ist jeweils ein Umleitelement 13 ausgebildet. Das Umleitelement 13 kann entweder mit der Wasserverteilplatte 2 oder mit dem Stab 4 in einem Stück oder aber als ein gesondertes Element ausgebildet werden. Dieses Element ist entweder am Stab oder an der Verteilplatte befestigt und bildet auf alle Fälle im Weg des auf der Verteilplatte strömenden Wasserfilms 3 eine solche Fläche 7, auf welche dieser Film auftritt, wodurch ein Teil des Wassers auf den Stab oder das Band 4 gelenkt wird. Damit die Umlenkfläche 7 wirksam ist, darf zwischen der Verteilplatte und dem Umleitelement bzw. zwischen dem Umleitelement und dem Band 4 kein Spalt sein, der größer als 3 mm ist. Im Falle eines größeren Spaltes trennt sich nämlich das Wasser nicht von der Fläche der Verteilplatte bzw. verspritzt das abgeschiedene Wasser und gelangt nicht tropfenfrei auf die Fläche der abwärts gerichteten Elemente 4. Die auf das Band oder den Stab 4 gelenkte Wassermenge umfließt unter Einwirkung der Oberflächenspannung den Stab 4 und strömt einen den Stab umschließenden zusammenhängenden Wasserfilm bildend, abwärts. Die Anschlussstelle des Stabes unterbricht nicht den Zusammenhang des Wasserfilms 3, weil unter Einwirkung der Oberflächenspannung die Kontinuität des Wasserfilms 3, die Stange 4 od. dgl. überströmend, aufrechterhalten bleibt, so dass der durch die Stange geteilte Film wieder zusammenfließt.

Vom Gesichtspunkt der verlässlichen Benetzung der Stäbe 4 ist die Ausbildung des Anschlusses 6 der Stäbe 4 und der Verteilplatte 2 von entscheidender Bedeutung.

Der auf der Verteilplatte 2 strömende Kühlwasserfilm 3 ist nämlich bestrebt, seine Richtung beizubehalten und infolgedessen geneigt, unter Umgehung der an die Verteilplatte 2 von unten angeschlossenen Stäbe 4 weiterzuströmen. Um die vollkommene, gleichmäßige und betriebssichere Benetzung der Stäbe 4 zu sichern, werden an der Anschlussstelle 6 der Stäbe 4 an die Verteilplatte 2 Umleitflächen 7 ausgebildet. Diese Umleitflächen 7 sind der Strömungsrichtung 12 des Kühlwasserfilms 3 zugekehrt und, aus der Strömungsrichtung 12 des Kühlwasserfilms 3 gesehen, konkave oder im Grenzfall ebene Flächen. Die Umleitflächen 7 liegen an der Verteilplatte 2 tangential an oder berühren diese, indem sie einen stumpfwinkeligen, im Grenzfall rechteckigen Flächenwinkel 8 bilden, dann schließen sie sich, ausgehend von der Verteilplatte 2 an die Komponenten 14 des Stabes 4 tangential (Fig. 2) oder unter einem stumpfen Winkel 10 an (Fig. 3). Die theoretische Schnittlinie 15 der Umleitfläche 7 und der Oberfläche des Stabes 4 soll also mit den Komponenten 14 der letzteren Fläche aus der Strömungsrichtung 12 des Kühlwassers gesehen jeweils einen stumpfen Winkel 10 - im Grenzfall 90° bzw. 180° - bilden. Die Umleitfläche 7 also hebt sozusagen aus dem auf der Verteilplatte 2 strömenden Kühlwasserfilm 3 die auf eine Stange oder Stab entfallende Kühlwassermenge ab und leitet sie auf die Fläche der Stange in deren Längsrichtung.

Die Querschnittabmessungen der den Einsatz bildenden Elemente 4 können abhängig vom Material des Einsatzes, den Energiepreisen, den Kosten der Raumbeanspruchung usw. von Fall zu Fall festgesetzt werden. Der Stab 4 kann also in Grenzfällen sowohl ein richtiger Stab als auch ein haardünner Draht, das Band hingegen eine große ebene Platte, oder ein einige Zehntelmillimeter dicker und einige Millimeter breiter Streifen sein. Wie dargelegt wurde, sind jedoch die kleinen Abmessungen mit wesentlichen Vorteilen verbunden und die Bedeutung der Erfindung liegt in erster Linie gerade darin, dass die Anwendung von Flächenelementen mit geringen Abmessungen erst mit ihrer Hilfe möglich wird.

Fig. 2 zeigt ein Umlenk-Flächenelement 7, beispielsweise für den Fall, dass der Stab 4 einen Kreisquerschnitt hat. Das Umlenk-Flächenelement 7 ist in der Anströmungsrichtung des Kühlwasserfilms gesehen, konkav ausgebildet und passt sich der Fläche der Verteilplatte 2 ohne Spalt und tangential, der Fläche des Stabes 4 ebenfalls ohne Spalt und tangential an.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausbildungsform des Umlenk-Flächenelementes 7 für den Fall, wenn der Stab 4 von Rechteckquerschnitt ist. Hier ist das Umlenk-Flächenelement

7 eben ausgebildet und schließt sich der Verteilplatte 2 unter einem stumpfen Winkel 8 mit einem Spalt 9 an. Anderseits ist es an die Fläche des Stabes 4 im Verhältnis zu dessen Richtung mit einem stumpfen Winkel 10 und ohne Spalt angeschlossen.

Fig. 4 veranschaulicht ebenfalls eine mögliche Ausführungsform des Umleit-Flächenelementes 7, u. zw. für den Fall, dass der Stab 4 von Rechteckquerschnitt das Abscheider-Flächenelement 7 eben ist und sich der Verteilfläche 2 unter einem rechten Winkel 8, der Fläche des Stabes 4, unter einem rechten Winkel mit einem Spalt 11 anschließt.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform der Bestandteile des beispielsweise erörterten Kühlturmeinsatzes beschränkt. Der Schutzbereich der Erfindung ändert sich nicht wenn diese durch Bestandteile ähnlicher Funktion und Wirkung, aber anderer Ausführung ersetzt werden.

Claims (2)

1. Kühlturmeinsatz, der aus länglichen Elementen, wie Stäbe und Bänder aufgebaut ist, die von der nach unten gekehrten Fläche einer schrägen Wasserverteilplatte benetzt werden, wobei das Wasser mittels mindestens einer Düse großen Querschnittes in wesentlich horizontaler Richtung der Unterseite der Wasserverteilplatte zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Kühlturmeinsatz bildende längliche Elemente (4) der nach unten gekehrten Fläche der Wasserverteilplatte (2) von unten derart angeschlossen sind, dass an der Anschlussstelle (6) der länglichen Elemente je eine Umleitfläche (7) angewendet wird, welche Umleitfläche (7) sich sowohl der Wasserverteilplatte (2) als auch den länglichen Elementen (4) ohne Spalt oder einem der beiden mit einem Spalt (9), bzw. (11), der nicht größer als 3 mm ist anschließt.

2. Kühlturmeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Anschlussstelle (6) je eines Elementes (4) und der Wasserverteilplatte (2) angewendeten Umleitelemente (13) eine dem auf der Wasserverteilplatte (2) strömenden Kühlwasserfilm zugekehrte Umleitfläche (7) aufweisen, die aus der Strömungsrichtung (12) des Kühlwasserfilmes gesehen eine konkave oder im Grenzfall ebene Form aufweist und tangential oder unter einem stumpfen Winkel oder im Grenzfall einen Winkel von 90° einschließend der Wasserverteilplatte (2) angeschlossen ist, und im Verhältnis zu dem Komponenten (14) des Stabes bzw. zu einer nach unten laufenden Kante des Stabes tangential oder unter einem stumpfen Winkel (10) der Fläche des länglichen Elementes (4) angeschlossen ist.