DE3314133A1 - Querstrom-kuehlturm - Google Patents
Querstrom-kuehlturmInfo
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F25/00—Component parts of trickle coolers
- F28F25/02—Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
- F28F25/08—Splashing boards or grids, e.g. for converting liquid sprays into liquid films; Elements or beds for increasing the area of the contact surface
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
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Description
- . 33H133 . 5·
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Querstrom-Kühlturm,
insbesondere auf eine verbesserte Anordnung von Verteilereinbaustreifen zur Verwendung bei einem
derartigen Querstrom-Kühlturm.
Querstrom-Kühltürme sind typischerweise so konstruiert, daß sie einen Hauptmantel oder eine Umhüllung an
zwei senkrechten Endwänden aufweisen, wobei mit Jalousien oder Klappen versehene Öffnungen· an den
beiden gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnet sind, um Luft seitlich in das Innere des Kühlturms zu
leiten. An der Oberseite des Turmes befinden sich ein oder mehrere Ventilatoren, die sich in Schächten oder
Gehäusen zum Abführen der erwärmten Luft aus dem Turm drehen; und längs jeder Seite befinden sich Heißwasser-Verteilungswannen.
Das Heißwasser wird aus letzteren durch Zumeßöffnungen so verteilt, daß es
innerhalb des Kühleinbaus des Turms herabfällt, wobei das Heißwasser durch Verspritzen oder Versprühen auf
den Einbaustreifen in Tröpfchen aufgebrochen wird und das Wasser auf solchen Streifen auch einen Film
bildet. Das luftgekühlte Wasser wird schließlich in einem Kühlwasserbecken am Boden des Turmes für eine
Rückführung zur Wärmequelle gesammelt.
Die Kühlung wird im wesentlichen durch die Verdunstung von der Tröpfchen- und Filmoberfläche und
durch die Übertragung fühlbarer Wärme von den Wasseroberflächen auf die zirkulierende Luft bewirkt. Die
Luftgeschwindigkeit durch den Kühleinbau und die Zeitdauer des freien Falls des Wassers durch den
Kühleinbau sind für die Wärmeübertragung von Bedeutung. Die Gestaltung der Einbaustreifen und der
33H133
relative Abstand benachbarter Einbaustreifen bestimmt bis zu einem gewissen Ausmaß die Fallzeit. Je dichter
der Abstand oder die Packung der Einbaustreifen ist, desto länger wird das Wasser den Luftströmen innerhalb
des Turms mit dem Resultat einer stärkeren Verdunstung und Übertragung fühlbarer Wärme an die Luft ausgesetzt.
Als eine praktische Grenze für die Anzahl der verwendeten Einbaustreifen kann gelten, daß der
Druckabfall der Luft durch den Kühleinbau sich mit der Anzahl der Einbaustreifen erhöht und dabei eine höhere
Ventilatorleistung erfordert, um solche Luftbewegung aufrecht zu erhalten. Ferner bestimmt die Gestaltung
der Einbaustreifen und ihr Abstand die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Wasserverteilung der sich daraus
ergebenden Aufbrechung in Wasserteilchen. Je stärker dieses Aufbrechen stattfindet, umso stärker werden die
Wassertröpfchen der zirkulierenden Luft ausgesetzt und infolgedessen ist die Wärmeübertragung umso größer.
Bei den meisten Querstrom-Kühltürmen besteht der Kühleinbau aus einer gitterartigen Einbau-Aufhängevorrichtung
oder Stützvorrichtung, auf denen die Einbaustreifen abgestützt werden. Die Einbau-Hängevorrichtung
kann verschiedenartige Formen aufweisen, z.B. solche, wie sie in den US-PSen 3,749,381,
4,115,484, 4,181,692 und 4,181,693 beschrieben sind. Im allgemeinen sind alle diese Einbau-Hängevorrichtungen
als Gitter ausgebildet, die von miteinander verbundenen senkrechten und horizontalen Organen
gebildet sind. Die Verteil- oder Einbaustreifen können in ähnlicher Weise zahlreiche unterschiedliche Formen
besitzen, z.B. jene, die in den US-PSen 2,497,389, 3,389,895, 3,468,521, 3,647,191, 3,758,088,
4,020,130 und 4,133,851 beschrieben sind. Die Unterschiede bei diesen Einbaustreifen sind sehr fein, aber
nichtsdestoweniger kritisch für die Leistungsfähigkeit
und die Kühlwirkung des Turms.
Frühere Installationen von Einbauten der Spritzbauart in Querstrom-Kühltürmen weisen im allgemeinen eine
Bauart eines Spritzeinbaus auf, der sich über den gesamten Kühleinbau des Kühlturms erstreckt. Um eine
größtmögliche Leistungsfähigkeit bei einem gegebenen Volumen des Kühleinbaus zu erhalten, wurde eine
dichtgepackte Reihe solcher Einbaustreifen verwendet.
jQ Dieses Verfahren bietet eine sehr gute Leistungsfähigkeit,
jedoch bei hohen Kosten, und dem Luftstrom durch den Kühleinbau wird ein beträchtlicher Widerstand
entgegengesetzt. Die Leistungsfähigkeit typischer Spritzeinbaustreifen ist derart, daß die Verdoppelung
^g der Dichte (die Zahl der Einbaustreifen pro Volumeneinheit)
der Einbaustreifen in den Kühleinbau die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit um nur 10 bis 2 0 %
erhöht, während der Widerstand gegenüber dem Luftstrom durch den Kühleinbau um 20 bis 40 % anwächst.
In bekannten Patentschriften wurde bisher vorgeschlagen, Kühleinbauten in Querstrom-Kühltürmen vorzusehen,
die Bereiche hoher Einbaudichte und Bereiche geringer Einbaudichte umfassen. Beispiele solcher
Einbauten sind in den US-PSen 2,394,755, 4,115,484, 1,674,764, 1,320,852 und in der GB-PS 481,271 dargestellt.
Die Bereiche hoher Einbaudichte bei all diesen Anordnungen sind von dem Bereich des Kühleinbaus im
Abstand angeordnet, der sich in der Nähe des Luftein-
3Q tritts befindet. Aus Gründen, die nachstehend deutlicher
werden, läßt sich mit diesen Anordnungen eine Maximierung der potentiellen Leistungseigenschaften
der hohen Einbaudichte nicht erreichen. In der FR-PS 656,559 ist ein Gegenstrom-Kühlturm beschrieben, bei
dem die unteren Abschnitte von Spritzplatten, die sich in der Nähe des Lufteintritts befinden, in dichteren
* Abständen voneinander angeordnet sind als die oberen
Abschnitte der Spritzplatten. Indessen unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften von Wasser und
,Luft, die durch einen Gegenstrom-Kühlturm strömen, von denjenigen, die in einem Querstrom-Kühlturm vorliegen.
Die Erfindung sieht eine besondere Anordnung eines Einbaus der Spritzbauart (splash type fill) in
Querstrom-Kühltürmen vor, die eine beträchtliche Einsparung an erforderlichem Einbaumaterial ermöglicht,
ohne daß die thermische Leistungsfähigkeit hierunter merklich leidet.
Es wurde festgestellt, daß sich bei einem Querstrom-Kühlturm
die Luft- und Wassertemperaturen sowohl in senkrechter als auch in horizontaler Richtung kontinuierlich
ändert. Die Temperaturgradienten sind an der Oberseite des Kühleinbaus dort am größten, wo
die Luft eintritt. In diesem Bereich des Kühleinbaus haben das Wasser die höchste Temperatur und die Luft
die geringste Temperatur. Diese große Temperaturdifferenz führt zu einem schnellen Wärmeaustausch
zwischen den Luft- und Wasserströmen und entsprechend schnellen Änderungen ihrer Temperaturen, wobei die
Wassertemperatur abnimmt und die Lufttemperatur ansteigt. Diese Temperaturänderungen bedeuten, daß die
Wärmeübertragung zwischen den Luft- und Wasserströmen überall sonst mit reduzierter Geschwindigkeit in dem
Kühleinbau als Ergebnis reduzierter Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wasser stattfindet. Das
Wärmeübertragungsgefälle kann im oberen Bereich des Kühleinbaus in der Nähe des Lufteintritts bis zu
zehnmal größer sein als in den anderen Bereichen des Kühleinbaus.
— 8 —
Gemäß der Erfindung ist die Dichte der Einbaustreifen in diesem oberen Bereich des Kühleinbaus in der,Nähe
des Lufteintritts erhöht, da eine verhältnismäßig kleine Zunahme der Leistungsfähigkeit des Kühleinbaus
in ■ diesem Bereich zu einer verhältnismäßig großen Änderung der Wassertemperatur führt. Dagegen ist in
anderen Bereichen des Kühleinbaus, wo das Gefälle (driving force) viel geringer ist, die Dichte der
Einbaustreifen geringer, da die Verwendung von Einbaustreifen hoher Dichte nur eine geringfügig größere
Änderung der Wassertemperatur bei beträchtlichen zusätzlichen Materialkosten und Arbeitskosten sowie
zusätzlichem Widerstand gegenüber dem Luftstrom hervorruft, der auf die Energiekosten für den Betrieb des
Kühlturms bezogen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind annähernd 70 % des Volumens des Kühleinbaus mit Einbaustreifen hoher Dichte bepackt, während die
verbleibenden 30 % des Einbaus aus Einbaustreifen geringer Dichte bestehen. Die Einbaustreifen hoher
Dichte nehmen den gesamten Bereich des Kühleinbaus in der Nähe des Lufteinlasses ein und ebenso den Bereich
über dem gesamten Boden des Kühleinbaus. Die Einbaustreifen geringer Dichte besetzen die Bereiche des
Kühleinbaus, die oberhalb des Bodens des Kühleinbaus liegen und sich in der Nähe der Luftaustrittskanten
des Kühleinbaus befinden. Durch diese Anordnung kann das gesamte Wasser durch die Einbaustreifen hoher
Dichte auf mindestens einen Teil seiner Bewegungsbahn durch den Kühleinbau hindurchfallen. Dies bedeutet,
daß das Wasser, welches sich durch die Einbaustreifen geringer Dichte hindurchbewegt hat, in die Einbaustreifen
hoher Dichte mit einer geringfügig höheren Temperatur eintritt als dies an derselben Stelle der
Fall gewesen sein würde, wenn der Kühleinbau lediglich aus Einbaustreifen hoher Dichte bestünde. Diese höhere
Temperatur trägt zu einem höheren Gefalle in den Einbaustreifen hoher Dichte bei, die eine Ausnutzung
ihrer überlegenen Leistungseigenschaften zum höchsten Vorteil der Erzeugung einer größeren Änderung der
Wassertemperatur ausgenutzt werden kann, als dies in demselben Bereich des Kühleinbaus der Fall sein würde,
wenn nur Einbaustreifen höherer Dichte verwendet würden. Diese Eigenschaft führt zur Neigung eines
Ausgleichs des Leistungsverlustes, der durch die Verwendung von Einbaustreifen geringer Dichte verursacht
wird.
Aus der nachstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung auch für andere Kombinationen von
Einbaustreifen hoher Dichte und Einbaustreifen geringer Dichte geeignet ist, wobei andere Ausführungsformen
derselben besprochen werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein teilweiser senkrechter Schnitt durch einen Querstrom-Kühlturm mit der Anordnung
eines Kühleinbaus gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, welches den Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten
K zeigt, der über die Strömungsgeschwindigkeit von Wasser eines besonderen Einbaustreifenmusters
aufgetragen ist, das in einem Querstrom-Kühlturm mit Einbaustreifen
hoher Dichte und mit Einbaustreifen
- 10 -
•41·
geringer Dichte eingesetzt ist, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Luft 907,2 kg
Trockenluft/h/0,09 m2 (2000 lbs dry air/HR/FT2) beträgt.
Fig. 3 ein Diagramm, dessen durchgehende Linie
die Kurven konstanter Enthalpiedifferenz
für einen beispielhaften Kühleinbau der vollständig aus Einbaustreifen hoher Dichte besteht, und dessen gebrochene
Linien die Kurven konstanter Enthalpie
differenz für den Kühleinbau zeigen, der aus einer Mischung von Einbaustreifen
hoher Dichte und Einbaustreifen geringer Dichte gemäß der Anordnung in Fig. 1
besteht.
Fig. 4 ein Diagramm, bei dem eine durchgehende Linie das Temperaturprofil von Wasser am
Auslaß des beispielhaften Kühleinbaus, der vollständig aus den Einbaustreifen hoher*
Dichte besteht, und in einer gebrochenen
Linie den Kühleinbau zeigt, der aus einer Mischung von Einbaustreifen hoher Dichte
und Einbaustreifen geringer Dichte gemäß der Anordnung in Fig. 1 besteht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer
zweiten Ausführungsform der Anordnung eines Kühleinbaus gemäß der Erfindung und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Anordnung
eines Kühleinbaus gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 weist ein Querstrom-Kühlturm 10 ein Gehäuse 11 auf, dessen Oberseite 12 eine Wanne 13 zur
Verteilung von Heißwasser bildet. Die Flüssigkeit, wie
- 11 -
Λ . 33U133
Μ-
z.B. zu kühlendes Wasser, wird in die Wanne 13 gepumpt, von der die Flüssigkeit durch geeignete Düsen
15 abgezogen wird. Nach dem Absinken durch den Spritz-Kühleinbau 16 (splash fill section) wird die
Flüssigkeit im Becken 17 gesammelt, um durch den Austritt 18 entfernt zu werden.
Ein Ventilator 19, der in einem Schacht 20 durch einen Antrieb 21 drehbar ist, saugt Luft seitlich durch den
Turm, die nach oben durch den Schacht 20 austritt. Die Luft strömt nacheinander durch Öffnungen zwischen
Eintrittsklappen 23 an der Gehäuseseite, den Kühleinbau 16 und durch einen Dralleliminator 24 (drift
eliminator). In Fig. 1 sind zwei Gruppen 24a und 24b von Dralleliminatoren gezeigt.
Der Kühleinbau 16 ist an senkrecht hängenden Einbauaufhängevorrichtungen
26 aufgehängt, die aus einer Mehrzahl von senkrecht und horizontal verlaufenden Drähten oder Stangen 28 bzw. 30 bestehen, welche über
den gesamten Kühleinbau 16 in Abständen voneinander angeordnet sind. Spritz-Einbaustreifen 32 sind an den
horizontalen Drähten 30 angeordnet und an diesen abgestützt. Es sind verschiedenartige Ausführungsformen
der Spritz-Einbaustreifen 32 erhältlich, wobei ein Beispiel derselben in der US-PS 4,133,851 beschrieben
ist. Es sind besondere Abstände der Einbaustreifen 32 innerhalb der verschiedenen Bereiche des
Kühleinbaus 16 gemäß der Erfindung vorgesehen und beruhen auf den nachstehend dargelegten technischen
Überlegungen.
Wie vorhergehend festgestellt wurde, beruht die Wärmeübertragung in einem Kühlturm auf der Kombination
der Übertragung fühlbarer Wärme zwischen dem Wasser und der Luft und der Verdunstung des Wassers mit einem
- 12 -
damit einhergehenden Wärmeentzug aus dem Wasser. Die latente Wasserwärme ist so groß, daß die Verdunstung
den bei weitem vorherrschenden Mechanismus der Wärmeübertragung darstellt. Merkel demonstrierte im Jahre
1925, daß für Luft-Wassersysteme bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen die dabei zu berücksichtigenden,
ziemlich komplexen Wärme- und Massenübertragungsgleichungen als ein einziges Übertragungsverfahren
angenähert werden können, bei dem die Enthalpiedifferenz oder das Wärmegefälle als die treibende
Kraft (driving force) genutzt wird. In Querstrom-Kühltürmen stellen die Betriebsbedingungen von Wasser und
Luft eine Funktion sowohl der senkrechten als auch der horizontalen Position in dem Kühlturm dar, und es muß
deshalb eine zweidimensionale Analyse angewandt werden.
Es wurden für Querstrom-Kühltürme zwei Differentialgleichungen
entwickelt:
20
20
1) WÄRMEBILANZ-GLEICHUNG
CwL 3Tw/9y G "öHa/ax
CwL 3Tw/9y G "öHa/ax
wobei Cw = spezifische Wärme von Wasser
L = Strömungsgeschwindigkeit von
Wasser pro horizontaler
L = Strömungsgeschwindigkeit von
Wasser pro horizontaler
Flächeneinheit
Tw = Wassertemperatur
Y = senkrechte Richtung
G = Strömungsgeschwindigkeit
von Luft pro senkrechter
Tw = Wassertemperatur
Y = senkrechte Richtung
G = Strömungsgeschwindigkeit
von Luft pro senkrechter
Flächeneinheit
Ha = Luftenthalpie
Ha = Luftenthalpie
χ = horizontale Richtung
sind.
sind.
- 13 -
* Diese Gleichung bezieht sich auf die Abnahmegeschwindigkeit
der Wassertemperatur in senkrechter Richtung zur Zunahmegeschwindigkeit der Luftenthalpie·in horizontaler
Richtung.
2) WÄRMEÜBERTRAGUNGS-GLEICHUNG
q = K^x 3y (Hw - Ha)
wobei q = Menge der übertragenen
Wärme in einem zusätzlichen
Volumen
Volumen
K = Wärmeübertragungskoeffizient
Hw = Enthalpie gesättigter Luft
Hw = Enthalpie gesättigter Luft
bei der örtlichen Wassertemperatur
15
15
Diese Gleichung ist analog der üblichen Gleichung für die Übertragung fühlbarer Wärme. Anstelle der üblichen
Temperaturdifferenz ist die Enthalpiedifferenz als die
treibende Kraft verwendet worden.
20
20
Diese Gleichungen werden in einer dritten Gleichung kombiniert:
= K (Hw - Ha)
Diese Gleichung stellt die Beziehung her zwischen der Abnahmegeschwindigkeit der Wassertemperatur und der
Größe der örtlichen treibenden Kraft der Enthalpie. Diese Gleichungen in Verbindung mit den Gleichungen
der thermodynamisehen Eigenschaften für Wasser und
Luft können numerisch gelöst werden, um die Wasser- und Luftbedingungen über den gesamten Kühleinbau unter
beliebigen spezifischen Bedingungen der Strömungsgeschwindigkeiten von Wasser zu ermitteln.
Der Wärmeübertragungskoeffizient K muß bekannt sein,
- 14 -
um die Rechnungen durchführen zu können. K ist eine empirisch bestimmte Variable, die eine Funktion der
Strömungsgeschwindigkeiten von Wasser und Luft ist. Typische Werte von K sind in Fig. 2 für eine Bauart
eines Spritz-Einbaustreifens 32 aufgetragen, der in zwei unterschiedlichen Dichten installiert ist (Zahl
der Einbaustreifen pro Volumeneinheit). Die obere Linie betrifft eine Verteilung von achtzehn Einbaustreifen
pro 0,0283 m (Kubikfuß) in großer Dichte und die untere Linie eine Verteilung von neun Einbaustreifen
pro 0,0283 m (Kubikfuß) in geringer Dichte. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel erhöht die
Verdopplung der Dichte der Einbaustreifen den Wert von K um nur annähernd 20 %. Unterschiedliche Einbau-Streifenmuster
können zu einer unterschiedlichen Beziehung zwischen K und der Dichte der Einbaustreifen
führen.
Bei einer typischen Kühlturmkonstruktion, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, bei der ein Kühleinbau 16 4,88 m
breit und 11,58 m hoch ist und der mit Einbaustreifen geringer Dichte bepackt ist (neun Einbaustreifen pro
0,0283 m3) und wobei L = 3628,7 kg/Std/0,0929 m2
(8000 LB/HR/FT2), G = 907,2 kg Trockenluft/Std/
0,0929 m2 (2000 lb/dry air/HR/FT2), Wassereintrittstemperatur
48,9 0C (120 0F) und die Lufteintrittstemperatur
21,1 0C (70 0F) feuchte Thermometertemperatur
sind und die Wasseraustrittstemperatur mit 32,61 0C (90,9 0F) berechnet wird. Unter denselben
Betriebsbedingungen wird jedoch die Wasseraustrittstemperatur, wenn der Kühleinbau 16 mit Einbaustreifen
hoher Dichte bepackt ist (achtzehn Einbaustreifen pro 0,0283 m ), mit 32,05 0C berechnet. Diese
Verringerung der Austrittstemperatur des Wassers von 0,671 0C stellt eine Zunahme der Wärmeübertragung von
4 % infolge der Verwendung der Einbaustreifen hoher
- 15 -
Dichte gegenüber Einbaustreifen geringer Dichte dar. Dies wird indessen auf Kosten der Verwendung der
zweifachen Menge von Einbau- oder Verteilmaterial und Installationsarbeiten sowie auf Kosten einer Zunahme
der Betriebskosten aufgrund einer Zunahme des Luftwiderstandes von 38 % erreicht, der mit der Verwendung
der dichteren Einbauanordnung verbunden ist.
Unter Anwendung derselben Betriebsbedingungen wie oben angegeben, zeigt Fig. 3 in ausgezogenen Linien die
Verteilung der Enthalpie-Antriebskräfte über den Kühleinbau 16, wenn dieser vollständig mit Einbaustreifen
hoher Dichte bepackt ist. Es ist zu bemerken, daß ein Bereich einer verhältnismäßig großen Antriebskraft
im oberen Bereich des Kühleinbaus 16 dort vorliegt, wo die Luft in den Kühleinbau eintritt. Dies
ist dort, wo das Wasser die höchste Temperatur aufweist und die Luft die geringste Temperatur hat,
was zu der größten Antriebskraft Veranlassung gibt. Es ist auch festzustellen, daß große Bereiche des
Kühleinbaus quer zum Boden des Kühleinbaus 16 und im oberen Teil des Einbauabschnitts 16 in der Nähe der
Stelle vorhanden sind, wo die Luft de Kühleinbau verläßt und verhältnismäßig geringe Antriebskräfte
vorhanden sind. In diesen Bereichen wurde entweder das Wasser gekühlt oder die Luft genügend erhitzt, um die
Antriebskraft zu vermindern.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, Bereiche von Einbaustreifen mit hoher Dichte und Bereiche mit
Einbaustreifen geringer Dichte zu verwenden. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 befindet sich in Übereinstimmung
mit dem vorliegend betrachteten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Bereich der Einbaustreifen mit
hoher Dichte in dem Bereich links von der Phantomlinie, und der Bereich von Einbaustreifen mit geringer
- 16 -
Dichte in dem Bereich rechts von der Phantomlinie.
D.h., der Bereich des Kühleinbaus 16 in der Nähe der Lufteintrittsklappen 23 und in der Nähe des Beckens 17
sind mit Einbaustreifen großer Dichte bepackt, während der Rest des Kühleinbaus 16 mit Einbaustreifen
geringer Dichte bepackt ist. Der Bereich von Streifen geringer Dichte weist eine Übertragungsgeschwindigkeit
auf, die etwa 20 % geringer ist als dies der Fall sein würde, wenn Einbaustreifen hoher Dichte darin angeordnet
worden wären. Da jedoch die Einbaustreifen geringer Dichte in solchen Bereichen in dem Kühleinbau
16 installiert sind, wo die Antriebskräfte gering sind, wird nur ein geringer Teil der gesamten
Wärmeübertragungskapazität des vollständigen Kühleinbaus davon betroffen.
Bei dem für die Entwicklung der Fig. 3 verwendeten
Beispiel ist der Bereich, in dem die Einbaustreifen geringer Dichte installiert sind, mit nur etwa 25 %
der gesamten Wärmeübertragung beteiligt, wenn der Bereich von Einbaustreifen hoher Dichte besetzt ist,
und zwar obwohl er etwa 30 % des Gesamtvolumens des Kühleinbaus 16 darstellt. Wenn die Einbaustreifen
geringer Dichte in diesem Bereich ausgetauscht werden, ist er mit nur etwa 2 0 % der gesamten ursprünglichen
Wärmeübertragung beteiligt, wenn die Antriebskräfte konstant geblieben sind. Demgemäß führt die Verringerung
der Leistungsfähigkeit im Bereich des Kühleinbaus
16 mit Einbaustreifen geringer Dichte lediglich zu einer Verringerung der gesamten Wärmeübertragung von
5 % über den gesamten Kühleinbau 16. Mit anderen Worten, die Gesamtmenge der Einbaustreifen wird um
15 % reduziert, wobei nur ein Verlust von 5 % an Wärmeübertragung eintritt. Dies bedeutet einen Verlust
von 0,33 % Wärmeübertragung pro Prozent Einsparungen an Einbaustreifenmaterial, wahrend die 50 % Einspa-
- 17
rungen bei 20 % Verlust an Wärmeübertragung, die von der Verwendung von Einbaustreifen geringer Dichte über
den gesamten Kühleinbau 16 herrühren würden (unter der Annahme keiner Zunahme an Antriebskräften), einem
Verlust von 0,44 % an Wärmeübertragung pro Prozent Einsparungen an Einbaumaterial entsprechen. Es geht
ein kleinerer Teil der Wärmeübertragungsleistung des gesamten Kühleinbaus 16 aufgrund der Verwendung der
Einbaustreifen geringer Dichte verloren als normalerweise zu erwarten wäre, weil der Einbau geringer
Dichte in' den Bereichen geringer Antriebskräfte vorgesehen ist. Dies ist ein wesentliches Merkmal der
Erfindung.
Ein zweites, sogar bedeutsameres Merkmal der Erfindung
liegt in der Tatsache, daß die Antriebskräfte nicht gleich bleiben, sondern in den Bereichen zunehmen, in
denen die Einbaustreifen geringer Dichte angeordnet sind. Dies ist das natürliche Ergebnis der reduzierten
Wärmeübertragungsgeschwindigkeit in den Einbaustreifen geringer Dichte. Da die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit
reduziert wird, wird die Luft weniger schnell erhitzt und das Wasser wird weniger schnell abgekühlt,
was zu erhöhten Enthalpiedifferenzen führt. Diese erhöhte Antriebskraft neigt zur Vergrößerung der
Wärmeübertragung und zum Ausgleich der reduzierten Leistung der Einbaustreifen geringer Dichte. Hierin
liegt der Grund, warum der Unterschied in der Wärmeübertragung zwischen dem Zustand, bei dem der
gesamte Kühleinbau 16 vollständig mit Einbaustreifen hoher Dichte vollgepackt ist, im Vergleich zu der
Situation, bei der der Kühleinbau 16 vollständig mit Einbaustreifen geringer Dichte bepackt ist, nur 4 %
statt 20 % beträgt, wie es aufgrund des Unterschiedes der Leistungsfähigkeit der Einbaustreifen zu erwarten
sein würde.
- 18 -
.: ;; ;;.. ; · . 33U133
. /fi.
Die Antriebskraft wird in den Bereichen erhöht, wo die
Einbaustreifen geringer Dichte verwendet werden, im Vergleich zu derjenigen, die mit in diesem Bereich
installierten Einbaustreifen, was mit Einbaustreifen
hoher Dichte erreicht worden sein würde. Hierdurch wird eine Neigung zum Ausgleich der reduzierten
Wärmeübertragungsleistung hervorgerufen, und es ergibt sich eine erhöhte Wärmeübertragung in denjenigen
Bereichen, die mit Einbaustreifen geringerer Dichte bepackt sind. Die Zunahme der Wärmeübertragung reicht
indessen nicht aus, um den gesamten Verlust thermischer Leistungsfähigkeit auszugleichen. Dies
bedeutet, daß aus den Bereichen mit Einbaustreifen geringer Dichte herausfallendes Wasser eine höhere
Temperatur haben wird als wenn diese Bereiche mit Einbaustreifen hoher Dichte versehen sind. Wenn jedoch
der Kühleinbau 16 so bepackt wird, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist, tritt das die
Bereiche der Einbaustreifen geringer Dichte verlassende Wasser in einen Bereich von Einbaustreifen hoher
Dichte ein, wodurch die Antriebskräfte in diesen Bereichen mit Einbaustreifen hoher Dichte vergrößert
werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist die Wirkung auf die Antriebskräfte über den gesamten Kühleinbau
16, wie er in Fig. 1 angeordnet ist, in Fig. 3 in gebrochenen Linien gezeigt. Die Bereiche verhältnismäßig
hoher Antriebskräfte werden in denjenigen Bereichen wesentlich ausgedehnt, die mit Einbaustreifen
geringer Dichte bepackt sind und, in geringerem Ausmaß, in den Bereichen, die mit Einbaustreifen hoher
Dichte bepackt sind. Diese Zunahme der Antriebskräfte in den mit Einbaustreifen hoher Dichte bepackten
Bereichen ist wichtig, weil sie die Wärmeübertragung in diesen Bereichen erhöht, wodurch eine Neigung zum
Ausgleich für Wärmeübertragungsverluste in denjenigen
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33U133
. «20·
Bereichen hervorgerufen wird, die mit Einbaustreifen geringer Dichte bepackt sind.
Das Nettoergebnis aller dieser Wirkungen besteht darin, daß die Anordnung des Kühleinbaus 16, wie er in
Fig. 1 dargestellt ist, eine beträchtliche Kosteneinsparung durch die Verwendung von Einbaustreifen
geringer Dichte in bestimmten Bereichen ermöglicht, wobei ein sehr, geringer Verlust an Wärmeübertragungsleistung
eintritt. Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt die Temperatur des Wassers, wenn es aus dem Boden des
Kühleinbaus 16 austritt, als eine Funktion des Ortes in dem Kühleinbau. Die durchgehende Linie bezeichnet
den Zustand, bei dem der Kühleinbau 16 vollständig mit Einbaustreifen hoher Dichte bepackt ist, und die
durchbrochene Linie bezeichnet den Zustand, bei dem der Kühleinbau 16 mit einer Mischung von Einbaustreifen
hoher und geringer Dichte gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 bepackt ist. Der Kühleinbau 16 gemäß
der Ausführungsform in Fig. 1 erzeugt Wasser, welches
an der Luftaustrittsseite höchstens 0,65 0C (0,5 0F)
wärmer ist als wenn der Einbauabschnitt 16 vollständig mit Einbaustreifen hoher Dichte bepackt sein würde.
Noch bedeutsamer ist die Tatsache, daß die mittlere Auslaßtemperatur des Wassers aus dem Kühleinbau 16,
der gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 bepackt ist, 32,175 0C oder nur 1,722 0C (0,1 0F) wärmer ist als
die mittlere Austrittstemperatur des Wassers aus dem Kühleinbau 16, der vollständig mit Einbaustreifen
hoher Dichte bepackt ist.
Diese geringe Zunahme ist ein kleiner, zu zahlender Preis für eine Einsparung von annähernd 15 % der
Kosten an Einbaustreifenmaterial und Installation. Ferner wird der Widerstand gegenüber der durch den
Kühleinbau 16 hindurchströmenden Luft im Vergleich
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dazu verringert, wenn der Kühleinbau vollständig mit Einbaustreifen hoher Dichte bepackt sein würde. Dieses
Merkmal kann dazu verwendet werden, um entweder die Betriebskosten des Kühlturms zu vermindern oder die
Luftmenge zu erhöhen, die durch den Kühleinbau für gegebene Betriebskosten hindurchbewegt wird. Falls die
letztgenannte Option aufgegriffen wird, wird die vergrößerte Luftmenge die Wärmeübertragung über den
gesamten Kühleinbau erhöhen und demgemäß weiterhin den bereits geringen Leistungsabfall reduzieren, der mit
der Verwendung von Einbaustreifen geringer Dichte verbunden ist.
Die vorliegend betrachtete, bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, die oben beschrieben sowie in Fig. 1 dargestellt ist, ist nicht die einzige Ausführungsform, die verwendet werden kann, um der Vorteile der
Erfindung teilhaftig zu werden. Es können auch andere Einbauanordnungen verwendet werden, die aus einer
Mischung von Einbaustreifen hoher und geringer Dichte
bestehen. Beispiele von zwei solchen Einbaustreifenanordnungen zeigen die Fig. 5 und 6. Die Anordnung gemäß
Fig. 5 sieht die Verwendung von Einbaustreifen hoher Dichte nur im Bereich des Kühleinbaus 16 vor, der sich
in der Nähe des Lufteintritts befindet. Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 werden die Einbaustreifen hoher
Dichte im oberen Bereich des Kühleinbaus 16 verwendet, der sich in der Nähe des Lufteintritts befindet, sowie
im unteren Bereich des Kühleinbaus, der sich in der Nähe des Luftaustritts befindet. Bei dieser Anordnung
geht die gesamte Flüssigkeit, die durch die Kühleinbaue hindurchfällt, durch einen Bereich von Einbaustreifen
hoher Dichte hindurch. Die Erfindung schlägt sogar noch weitere Anordnungen sowie die Änderung der
relativen Proportionen der beiden Einbaustreifendichten vor. Die Betriebsbedingungen, die Bauart der
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Einbaustreifen sowie die ökonomischen Bedingungen eines besonderen Betriebszustandes werden die Auswahl
bestimmen. Gewisse Betriebszustände können eine Konstruktion hoher Leistungsfähigkeit erfordern, wie es
die in Fig. 1 gezeigte ist, und ermöglicht deshalb nur verhältnismäßig geringe Kosteneinsparungen. Andere
Betriebsverhältnisse mögen eine derart hohe Leistungsfähigkeit nicht erfordern und die Verwendung von
Konstruktionen ermöglichen, die ähnlich denjenigen sind, die in Fig. 5 und 6 gezeigt sind, die, obwohl
sie von der Lehre gemäß der Erfindung nicht den vollen Vorteil ziehen, Einsparungen in der erforderlichen
Menge des Einbaustreifenmaterials und/oder durch eine erleichterte Installation ermöglichen. Darüber hinaus
schlägt die Erfindung sogar die Verwendung von mehr als zwei unterschiedlichen Dichten für Einbaustreifen
sowie die Verwendung unterschiedlicher Bauarten von Einbaustreifen vor, um die Vorteile der Erfindung
auszunutzen.
Claims (10)
- DIPL.-ING. HANS AV. GROENINGPATENTANWALT
E 2-1ECODYNE CORPORATION39 South La Salle StreetChicago, Illinois 60603, USAQuerstrom-KühlturmPatentansprücheIy Querstrom-Kühlturm, bei dem Luft durch einen Kühleinbau strömt, der innerhalb des Kühlturms zum Kühlen einer Flüssigkeit angeordnet ist, die durch den Kühleinbau hindurchfällt, wobei der Kühlturm mit mindestens einer Seitenwand versehen ist, die einen Lufteintritt zum Hinleiten der Luft in den Exntrittsbereich des Kühleinbaus über die im wesentlichen gesamte Höhe desselben sowie einen Luftaustritt zum Abführen der Luft aus einem Austrxttsberexch des Kühleinbaus aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühleinbau eine Einbaueinheit aufweist, die aus mehreren, im Abstand voneinander senkrecht aufgehängten Einbau-Aufhängevorrichtungen besteht, die innerhalb des Kühleinbaus abgestützt sind, und daß mehrereEinbaustreifen innerhalb des Kühleinbaus angeordnet und auf den Einbau-Hängevorrichtungen abgestützt sind, daß die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Eintrittsbereichs angeordnet sind, ** mit einer größeren Dichte als die Einbaustreifen gepackt sind, die in dem oberen Teil des Austrittsbereichs angeordnet sind. - 2. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaustreifen, die in dem gesamten Eintrittsbereich angeordnet sind, mit größerer Dichte gepackt sind als die Einbaustreifen, die im oberen Teil des Austrittsbereichsangeordnet sind.
15 - 3. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaustreifen, die in den unteren Teilen des Eintrittsbereichs und des Austrittsbereichs angeordnet sind, in größererDichte gepackt sind als die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Austrittsbereichs angeordnet sind.
- 4. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch ge-25kennzeichnet, daß die Einbaustreifen, die in dem unteren Teil des Austrittsbereichs angeordnet sind, in größerer Dichte gepackt sind als die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil desAustrittsbereichs angeordnet sind.
30 - 5. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte durch den Kühleinbau hindurchfallende Flüssigkeitdurch einen Bereich des Kühleinbaus hindurchgeht, 35der mit Einbaustreifen größerer Dichte bepackt ist.33H133
- 6. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Eintrittsbereiches angeordnet sind, annähernd zweimal der Dichte der Einbaustreifen entspricht, die in dem oberen Teil des Austrittsbereiches angeordnet sind.
- 7. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Eintrittsbereiches angeordnet sind, eine Dichte von annähernd achtzehn Einbaustreifen pro 0,0283 m aufweisen und daß die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Austrittsbereiches angeordnet sind, eine Dichte von annähernd neun Einbaustreifen pro 0,0283 m
haben. - 8. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaustreifen größerer Dichte in annähernd 7 0 % des Volumens des KÜhleinbaus angeordnet sind.
- 9. Verfahren zum Bepacken des KÜhleinbaus eines Querstrom-Kühlturmes, bei dem Einbaustreifen auf Einbau-Hängevorrichtungen abgestützt sind, die innerhalb des Kühlturms angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Positionierens von Einbaustreifen hoher Dichte in den Bereichen des KÜhleinbaus, die eine hohe Enthalpiedifferenz aufweisen, und Positionieren von Einbaustreifen geringer Dichte in den Bereichen des KÜhleinbaus, die ein geringes Enthalpiegefälle haben.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Positionierung von Einbaustreifen hoher Dichte innerhalb des Kühleinbaus derart, daß die- gesamte, durch den Kühleinbau hindurchfallende Flüssigkeit durch einen Bereich hindurchgeht, in dem Einbaustreifen hoher Dichte angeordnet sind.
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