DE3314133A1

DE3314133A1 - Querstrom-kuehlturm

Info

Publication number: DE3314133A1
Application number: DE3314133A
Authority: DE
Inventors: David W. 95472 Sebastopol Calif. Stackhouse
Original assignee: Ecodyne Corp
Current assignee: Ecodyne Corp
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1983-10-20
Also published as: MX159470A; ZA832757B; JPS5915799A; CA1212896A; GB2118703A; AR231189A1; US4460521A; ES8500431A1; ES521577A0; KR880002363B1; GB2118703B; KR840004496A; GB8310571D0

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

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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.

Zusammenfassung der Erfindung

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.

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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.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

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

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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.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

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

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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

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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:
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1) WÄRMEBILANZ-GLEICHUNG
CwL 3Tw/9y G "öHa/ax

wobei Cw = spezifische Wärme von Wasser
L = Strömungsgeschwindigkeit von
Wasser pro horizontaler

Flächeneinheit
Tw = Wassertemperatur
Y = senkrechte Richtung
G = Strömungsgeschwindigkeit
von Luft pro senkrechter

Flächeneinheit
Ha = Luftenthalpie

χ = horizontale Richtung
sind.

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* 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

K = Wärmeübertragungskoeffizient
Hw = Enthalpie gesättigter Luft

bei der örtlichen Wassertemperatur
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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.
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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,

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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

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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

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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-

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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.

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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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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

DIPL.-ING. HANS AV. GROENING

PATENTANWALT
E 2-1

ECODYNE CORPORATION

39 South La Salle Street

Chicago, Illinois 60603, USA

Querstrom-Kühlturm

Patentansprüche

Iy 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 mehrere

Einbaustreifen 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 Austrittsbereichs

angeordnet sind.
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3. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaustreifen, die in den unteren Teilen des Eintrittsbereichs und des Austrittsbereichs angeordnet sind, in größerer

Dichte gepackt sind als die Einbaustreifen, die in dem oberen Teil des Austrittsbereichs angeordnet sind.
4. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch ge-25

kennzeichnet, 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 des

Austrittsbereichs angeordnet sind.
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5. Querstrom-Kühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte durch den Kühleinbau hindurchfallende Flüssigkeit

durch einen Bereich des Kühleinbaus hindurchgeht, 35

der mit Einbaustreifen größerer Dichte bepackt ist.

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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.