DE4215898A1 - Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeit in einem geschlossenen Primärkreislauf sowie Kühlvorrichtung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeit eines einen Verbraucher einschließenden ge­ schlossenen Primärkreislaufes mit Wärmetauscher. Zudem er­ faßt die Erfindung eine Kühlvorrichtung mit an einem Lüfter in ein Gehäuse einziehendem Luftstrom und in diesen einra­ gendem Wärmetauscher eines Primärkreislaufes, welcher im Kühlerinnenraum oberhalb einer Aufnahmewanne für Sekundär­ wasser angeordnet sowie von einer Luftbefeuchtungseinrich­ tung vorgeschaltet und von einer Sprüheinrichtung eines Se­ kundärkreislaufes überspannt ist, jenseits deren sich we­ nigstens eine Abluftöffnung befindet.

Kühlvorrichtungen dieser Art sind als Geräte für die soge­ nannte Naßkühlung beispielsweise durch den Prospekt Nr. Kat o a 1 der Anmelderin bekannt. Bei der Naßkühlung erfolgt das Kühlen sowohl durch das Verdunsten von Wasser im Rück­ kühlwerk als auch - zu einem geringen Teil - durch die Aufnahme von fühlbarer Wärme aus der kälteren Luft. Das Prinzip der Naßkühlung beruht auf der hohen Verdunstungs­ wärme des Wassers. Um ein Kilogramm Wasser zu verdampfen, muß eine Wärmemenge von ca. 575 kcal in das Wasser bei der entsprechenden Verdampfungstemperatur gelangen. Falls man diese Wärmemenge nicht zuführt, wird sie der Umgebung ent­ zogen, bis die Umgebung theoretisch die Verdampfungstempe­ ratur erreicht hat. In einem Rückkühlwerk kann man als Um­ gebung das Rieselwasser bezeichnen, das sich infolge des Wärmeentzugs durch verdampfendes Wasser abkühlt. Die Ver­ dampfung - oder auch Verdunstung - wird durch die im Ge­ genstrom einströmende Luft eingeleitet, deren Temperatur am feuchten Thermometer niedriger liegt als das zu kühlende Rieselwasser. Die Luft nimmt den gesättigten Wasserdampf auf und verläßt das Gerät mit einer wesentlich höheren Feuchtkugeltemperatur.

Verdunstungskühler haben zwar einen hohen Wirkungsgrad, verursachen aber bei tiefen Außenlufttemperaturen und höhe­ rer Luftfeuchtigkeit mehr oder weniger ausgeprägte Dampf­ fahnen und benötigen zur Deckung der Verdunstungs-, Sprüh- und Abschlämmverluste aufbereitetes Zusatzwasser.

Neben der Naßkühlung gibt es die bloße Wärmeübertragung durch Konvektion als Trockenkühlung. Das zu kühlende - durch den Kühlprozeß quantitativ und qualitativ nicht ver­ änderte - Medium wird durch einen Luft-Wasser-Wärmetau­ scher im geschlossenen System geführt, so daß die Abwärme als sensible Wärme schwadenfrei an die Umgebungsluft abge­ geben werden kann.

Aus physikalischen Gründen sinkt der Wirkungsgrad der Wär­ meübertragung durch Konvektion bei hohen Umgebungslufttem­ peraturen. Trockenkühler haben ein größeres Gerätevolumen, eine größere Grundfläche sowie einen umfangreicheren Luft­ volumenstrom als Verdunstungskühler und sind deshalb teue­ rer.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, eine Kühlung unter Meidung der aufge­ zeigten Mängel anzubieten.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren nach den unabhängigen Patentansprüchen.

Das zu kühlende Medium des Primärkreislaufes strömt oben über einen Verteiler in den Lamellen-Wärmetauscher ein und verläßt es unten über einen Sammler. Beim Durchströmen des Wärmetauschers gibt das zu kühlende Medium die abzuführende Wärme an die im Gegenstrom einströmende Luft ab. Das abge­ kühlte Medium steht zur Kühlung eines Verbrauchers zur Ver­ fügung. Da es sich um einen geschlossenen Kreislauf han­ delt, finden keine Verluste im Primärkreislauf statt, und es ist immer ein sauberes Kühlmedium im Umlauf.

Bei tiefen Umgebungslufttemperaturen erfolgt die Wärmeab­ gabe durch Trockenkühlung. Bei steigenden Umgebungslufttem­ peraturen auf ca. 15 bis 20°C wird der Trockenkühlung eine Luftbefeuchtung vorgeschaltet, indem vor dem - Lamellen­ kühler ausgebildeten - Wärmetauscher von einem Sekundär­ kreislauf in einem vorgeschalteten Sprühraum die Luft be­ feuchtet und adiabatisch auf ihre Feuchtkugeltemperatur ge­ bracht wird.

Bei Umgebungslufttemperaturen über etwa 25°C wird der Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung eine Naßkühlung überla­ gert, indem Berieselungswasser des Sekundärkreislaufes über die Wärmetauscheroberfläche rieselt und Frischluft im Ge­ genstrom eingeblasen wird. Die Frischluft erwärmt und sät­ tigt sich im Kontakt mit dem Berieselungswasser sowie dem benetzten Lamellenkühler und strömt nach oben aus. Das überschüssige Wasser wird gesammelt und zum Sekundärwasser zurückgeführt.

Der Wasserverbrauch ist bei der Trockenkühlung mit Luftbe­ feuchtung sehr gering, da die Luft lediglich befeuchtet wird.

Wasserverluste treten hauptsächlich nur bei der Naßkühlung auf. Sie beschränken sich auf die Verluste durch Beriese­ lung und Abschlämmung.

Die Aufsalzung des Sekundärkreislaufs wird über eine leit­ fähigkeitsgesteuerte Absalzautomatik überwacht.

Für eine Drehzahlregelung der Lüfterantriebe kommen polum­ schaltbare Drehstrommotoren oder Drehstrom-Normmotoren mit Frequenzumrichter zum Einsatz.

Die Befeuchtung der Luft im Sprühraum vor dem Lamellenküh­ ler und der Berieselung nach dem Lamellenkühler wird durch einen Temperaturregler gesteuert.

Erfindungsgemaß wird bei hoher Temperatur der Umgebungsluft durch Verdunstung, bei mittleren Umgebungslufttemperraturen durch Konvektion mit Luftbefeuchtung und bei tiefen Umge­ bungstemperaturen nur durch Konvektion gekühlt. Die Berie­ selung des Wärmetauschers ist eine wirksame Methode zur Senkung der Investitionskosten. Mit einer zeitweisen Berie­ selung des Wärmetauschers kann ein zusätzlicher Kühleffekt durch die Verdampfung des Wassers an der Wärme­ tauscheroberfläche erzielt werden, und es ist damit mög­ lich, das zu kühlende Medium unter die Umgebungslufttempe­ raturen abzukühlen. Die Trockenauslegungstemperatur kann auf ca. 6°C über der Feuchtkugeltemperatur angesetzt wer­ den.

Für das erfindungsgemäße Kühlverfahren gelten annähernd die Bedingungen der Naßkühlung.

tu - tf ⇒ 0
tu = Umgebungslufttemperatur
twa < tf	tf = Feuchtkugeltemperatur
twa = tf + 6°C	twa = Wasseraustrittstemperatur

Das Umschalten von reiner Trockenkühlung auf Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung geschieht bei t_u = 15 bis 20°C und von Trockenkühlung mit Luftbefeuchtung auf Naßkühlung bei t_u = 20 bis 25°C mit einer Wasserumlaufmenge des Se­ kundärkreislaufes von 15facher Verdunstungswassermenge.

Die Kühlleistung kann durch Berieselung des Wärmetauschers auf etwa das Zweieinhalbfache erhöht werden.

Hervorzuheben sind die möglichen tiefen Prozeßtemperaturen und der hohe Wirkungsgrad mit niedrigem Energieaufwand für Luft- und Sekundärkreislauf. Die Luftbefeuchtung und Naß­ kühlung dienen zugleich als Luftwäscher, ebenso werden durch die Naßkühlung atmosphärische Ablagerungen wegge­ spült. Kalkablagerungen auf der äußeren Wärmetausche­ roberfläche werden mit Zusatzstoffen im Sekundärkreislauf aufgelöst.

Die Luftbefeuchtungs- und Berieselungseinrichtung werden entweder jeweils mit einer separaten Förderpumpe oder mit einer gemeinsamen Zweistufenpumpe versorgt.

Temperaturhäufigkeit in Deutschland:
Außenlufttemperatur:
t_u ≧ 15°C: 2200 Jahresstunden,
20°C: 750 Jahresstunden,
25°C: 300 Jahresstunden,
Trockenkühlung ist etwa über 8000 Stunden im Jahr möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen Lüfter und Wärmetauscher wenigstens eine Be­ feuchtungseinrichtung mit Sprühelementen für Sekundärwasser vorgesehen ist, insbesondere vor dem Wärmetauscher ein Vor­ raum mit Sprühdüsen als Teil eines Sekundärkreislaufes.

Bei einer besonderen Ausführung sind Sprüheinrichtung und Befeuchtungseinrichtung in einem gemeinsamen, mit einer Mehrstufenpumpe ausgestatteten Sekundärkreislauf angeord­ net.

Nach einem weiteren Merkmal ist der Vorlauf des Wärmetau­ schers über eine Temperaturmeßeinrichtung mit einer Regel­ einrichtung verbunden, an diese kann/können das/die Förder­ element/e für Sekundärwasser angeschlossen sein. Zudem hat es sich als günstig erwiesen, daß die Regeleinrichtung mit wenigstens einem Elektromotor der Kühlvorrichtung und/oder zumindest einem Förderelement des Primärkreislaufes verbun­ den ist.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll vor al­ lem dort erfolgen, wo höhere Anforderungen des zu kühlenden Verbrauchers an die Kühlwasserqualität bestehen, bei stau­ biger Umgebungsluft, Wasserknappheit, Kühlstellen mit engen Durchlässen und ebenfalls dort, wo es wichtig ist, Kalkab­ lagerungen, Schlammbildung und Korrosion zu unterbinden.

Außerdem ist die Vorrichtung günstig zu verwenden, wenn der Betreiber im Zusammenhang mit Wasseraufbereitung, Wasserabschlämmung, Salzeintragung in die Atmosphäre die Schwadenbildung beachten muß, Wartungs- und Reinigungsauf­ wand beschränkt werden sollen, sich Glykol/Sole im Kühlwas­ ser finden, eine Wassertemperatur über 65°C herrscht oder mit Trockenkühlung schon bei hohen Umgebungslufttemperatu­ ren gefahren werden soll.

Nachfolgend seien einige der Vorzüge der Erfindung heraus­ gestellt:

• - das Kühlmedium wird durch den Kühlprozeß quantitativ und qualitativ nicht verändert;
• - das Kühlmedium zirkuliert im geschlossenen Kreislauf und kommt mit Kühlluft sowie Berieselungswasser nicht in Berührung, wodurch Verschmutzung, Ablagerungen und Korrosion im Kühlwasserkreislauf weitestgehend hinten­ gehalten werden;
• - das Kühlmedium Luft ist kostengünstig sowie das Kühl­ system umweltfreundlich und gleichzeitig wirtschaft­ lich;
• - Abkühlung erfolgt unter die Temperaturen der Umge­ bungsluft bei hohem Wirkungsgrad;
• - die Vorrichtung bietet verhältnismäßig kleine Abmes­ sungen;
• - geringere Investitionskosten als bei Trockenkühlung;
• - geringerer Kraftbedarf für den Lüfter als bei Trocken­ kühlung;
• - geringere Luftvolumenströme als bei Trockenkühlung;
• - keine Schwadenbildung (Trockenkühlung);
• - kein Wasserverbrauch (Trockenkühlung);
• - geringerer Wasserverbrauch bei Naßkühlung durch wirk­ same Wasserberieselung;
• - Trockenkühlung schon bei höheren Umgebungslufttempera­ turen möglich
  t_wa = t_f + 6 k;
• - Einsparung von Wasser- und Abwasserkosten;
• - für Wassereintrittstemperaturen < 65°C geeignet;
• - zuverlässiger Ganzjahresbetrieb (bei Betrieb mit Ge­ frierschutzmittel);
• - Anwendungsflexibilität, da kombinierter Wärmepumpen- und Kältemaschinenbetrieb möglich;
• - geringe Wartungserfordernisse.

Die gegebenenfalls entstehenden Nachteile - wie evtl. Abla­ gerungen auf dem Wärmetauscher, die biologisch abbaubare Zusatzstoffe im Sekundärkreislauf oder eine Reinigung er­ forderlich machen; höherer Kraftbedarf für den Lüfter als bei der Naßkühlung und gegenüber dieser höhere Investiti­ onskosten - sind gegenüber den genannten Vorzügen vernach­ lässigbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1 ein prinzipielles Kreislaufschema eines erfin­ dungsgemäßen Hybridkühlers.

Fig. 2 einen Teil der Fig. 1 zu einer anderen Ausfüh­ rung.

Ein Verbraucher 10 liegt mit dem als Lamellenkörper ausge­ bildeten Wärmetauscher 12 eines Verdunstungskühlers 14 in einem Primärkreislauf, dessen - vom Verbraucher her gese­ hen - Vorlauf 16 und dessen Rücklauf 17 zu einem Sammler 18 bzw. einem Verteiler 19 des Wärmetauschers 12 geführt sind. Vom Rücklauf 17 geht bei 20 eine Entlüftung aus.

Der Wärmetauscher 12 ist in einem quaderförmigen Gehäuse 22 von einer Berieselungs- oder Sprüheinrichtung 24 über­ spannt, die ihrerseits unterhalb eines Tropfenabscheiders 26 verläuft. Der Wärmetauscher 12 ist zudem oberhalb einer Befeuchtungseinrichtung 28 angeordnet, welche Flüssigkeit in einem sogenannten Vorraum 29 zerstäubt und dort vorhan­ dene Luft konditioniert, die dann zum Wärmetauscher 12 - sowie von diesem zum Tropfenabscheider 26 als Abluft - aufsteigt und aus dem Gehäuse 22 nach oben in die Umge­ bungsluft austritt.

Die oberhalb des Wärmetauschers 12 vorgesehene Beriese­ lungs- oder Sprüheinrichtung 24 ist Teil eines Sekundär­ kreislaufes 30, die unterhalb des Wärmetauschers 12 ange­ brachte Befeuchtungseinrichtung 28 ist in einem gesonderten Sekundärkreislauf 31 angeordnet.

Mittels einer Befeuchtungspumpe 33 des unteren Sekundär­ kreislaufes 30 wird aus einer Sumpfwanne 34 des Gehäuses 22 mit einem Druck von etwa 5 bis 15 bar zu den im einzelnen nicht erkennbaren Sprühdüsen dieser Befeuchtungseinrichtung 28 Wasser angehoben, an denen es zerstäubt austritt und die Kühlluft befeuchtet. Im Sumpf 35 ist ein Schwimmer 36 als Zulaufmengenregler an einer Zulaufleitung 37 zu erkennen.

In den Sumpf 35 ragen Heizfinger 38 und ein Thermofühler 40, welche über Leitungen 39 bzw. 41 an eine Regelstation 42 angeschlossen sind. Von dieser führen Leitungen 44 bzw. 46, 48 zu einem Elektromotor 45 am Verdunstungskühler 14 bzw. zu einer Umwälzpumpe 47 im Vorlauf 16 und zu einer Temperaturmeßeinrichtung 49.

Jene Befeuchtungspumpe 33 des Befeuchtungs- oder Sekundärkreislaufes 31 wird dank einer Steuerleitung 51 in Abhängigkeit von der Meldung der Wasseraustrittstemperatur durch die Temperaturmeßeinrichtung 49 im Vorlauf 16 ein- bzw. abgeschaltet. Die Wasserpartikel des fallenden Be­ feuchtungswassers bewegen sich im Gegenstrom zur Luft, die von einem doppelseitig saugenden, an die Gehäusefrontwand 52 angeschlossenen Radiallüfter 54 in den Vorraum 29 des Gehäuses 22 gedrückt wird.

Nach dem Befeuchten gelangt die aufsteigende Luft - wie bereits beschrieben - in den Bereich des aus der Sprühein­ richtung 24 fallenden Kühlwassers. Bei steigender Wasser­ austrittstemperatur wird eine im oberen Sekundärkreislauf 20 vorhandene Berieselungspumpe 32 (0,5 bis 15 bar) über ihre Steuerleitung 50 - ebenfalls in Abhängigkeit von der Meldung der Wasseraustrittstemperatur durch die Temperatur­ meßeinrichtung 49 im Vorlauf 16 - ein- bzw. abgeschaltet.

Der Wärmetauscher 14 weist Rohrschlangen zugeordnete ge­ wellte oder gerade Lamellen - mit einem Lamellenabstand etwa 10 mm - und mehrere tiefgezogene Fixpunkte zur Di­ stanzhaltung auf. Die für den Wärmeübergang erforderliche Verbindung zwischen Rohr und Lamelle wird dabei durch eine Aufweitung der Rohre erzielt, bei Wärmetauschern aus Stahl durch eine nach der Fertigung durchgeführte Verzinkung im Vollbad. Sowohl das Lamellenmaterial als auch die Wärmetau­ scherrohre samt Rohrsammler können aus Stahl, Edelstahl oder Kupfer gefertigt sein.

Bei Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Sprühdüsen der Berieselungseinrichtung 24 und die Sprühdüsen der Befeuch­ tungseinrichtung 28 in einem gemeinsamen Sekundärkreislauf 30 _a angeordnet.

Claims (12)

1. Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeit eines einen Verbraucher einschließenden geschlossenen Primärkreis­ laufes mit Wärmetauscher, dessen Durchströmmedium bei niederen Temperaturen mittels der Umgebungsluft Wärme entzogen wird, wobei bei steigender Temperatur der Um­ gebungsluft ein am Wärmetauscher vorbeiziehender Luft­ strom vor dem Wärmetauscher durch ein Fluid befeuchtet und berieselt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zunehmender Temperatur der Umgebungsluft nach dem Fluid ein dem Wärmetauscher nachgeordnetes Fluid als Berieselungsstrom für den Wärmetauscher zugeschaltet wird, das im Gegenstrom zum Luftstrom fällt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten der Befeuchtung des Luftstromes bei einer Umgebungslufttemperatur von etwa 150 bis 20°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Umschalten auf die Berieselung des Durch­ strömmediums als Naßkühlung bei einer Umgebungsluft­ temperatur von etwa 25°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß durch den Berieselungsstrom der Gegenstrom aus Frischluft erwärmt wird.

6. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, mit an einem Lüfter in ein Gehäuse einziehendem Luftstrom und in diesen einragendem Wärmetauscher ei­ nes Primärkreislaufes, welcher im Innenraum der Kühl­ vorrichtung von einer Sprüheinrichtung eines Sekundärkreislaufes für Sekundärwasser überspannt ist, jenseits deren sich zumindest eine Abluftöffnung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lüfter (54) und Wärmetauscher (12) wenigstens eine Befeuchtungseinrichtung (28) mit Sprühelementen für Sekundärwasser vorgesehen ist.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß in Strömungsrichtung der Luft vor dem Wärme­ tauscher (12) ein Vorraum (29) mit der Befeuchtungs­ einrichtung (28) als Teil eines Sekundärkreislaufes (31) angeordnet ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Sprüheinrichtung (24) und Befeuch­ tungseinrichtung (28) in einem gemeinsamen Sekundär­ kreislauf (30 _a) angeordnet sind.

9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß im Sekundärkreislauf (30 bzw. 31) zumindest ein Förderelement (32 bzw. 33) vor­ gesehen und dieses im gemeinsamen Sekundärkreislauf (30 _a) eine Mehrstufenpumpe ist.

10. Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch einen Lamellenkühler als Wärmetauscher (12).

11. Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf (16) des Wärmetauschers (12) über eine Temperaturmeßein­ richtung (49) mit einer Regeleinrichtung (42) verbun­ den sowie an diese das Förderelement (32 und/oder 33) für Sekundärwasser angeschlossen ist.

12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (42) mit wenigstens einem Elektromotor (45) der Kühlvor­ richtung (14) und/oder mit zumindest einem Förderele­ ment (47) des Primärkreislaufes (16, 17) verbunden ist.