Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln

Abstract

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

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser.

[0002] Es sind hybride Trockenluftkühler bekannt (EP 428 647 B1), bei denen das zu kühlende Medium, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, des primären Kühlkreislaufes einen Lamellenwärmeaustauscher durchströmt und über die Kühllamellen an den Luftstrom die abzuführende Wärme abgibt. Ventilatoren saugen den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch und haben immer dieselbe Drehzahl. Das Benetzungswasser wird aus einer im Kühler integrierten Sammelschale in offene Kanäle über zwei V-förmig angeordnete Wärmeaustauscherelemente gepumpt, wo es unbeeinflusst vom Luftstrom auf die luftseitige Wärmeübertragungsfläche aufgegeben wird. Unmittelbar unter den Wärmeaustauscherelementen tropft das überschüssige Wasser in die Sammelschale zurück.

[0003] Derartige Trockenkühltürme werden normalerweise auf eine maximal zulässige Luftbelastung ausgelegt, die dadurch gegeben ist, daß bei der Benetzung des Wärmeaustauschers kein Tropfenflug entsteht. Der für 100 %ige Kühllast berechnete Umschaltpunkt von Trockenbetrieb auf Naßbetrieb, also Benetzung, verschiebt sich bei der üblichen Teillast im mittleren Temperaturbereich zu höheren Lufttemperaturen, wodurch der hybride Trockenkühlturm über mehr als die Hälfte seiner jährlichen Betriebszeit trocken, also ohne Benetzung, betrieben werden kann und somit kein Wasser benötigt.

[0004] Der Begriff "hybrid" steht also hier für die Zwitterbetriebsweise des Trockenturms, nämlich einmal ohne Benetzung des Wärmeaustauschers mit Wasser und zum anderen mit Benetzung.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Trockenkühlturm so auszubilden, daß er sich für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln eignet.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Trockenkühlturm einen Wärmeaustauscher aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer und einen Verflüssiger aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer als auch der Verflüssiger von Kühlluft durchströmt werden.

[0007] Auf diese Weise ist eine Direktverflüssigung von Kältemitteln nach dem gleichen Prinzip wie die hybride Trockenkühlung möglich, nur mit dem Unterschied, daß die Erhitzung des Heißgases in einem kleinen Kühlerteil mittels trockener Umgebungsluft erfolgt. Je tiefer dabei die Kühlmedium- oder Verflüssigungstemperatur im Auslegungspunkt des Trockenkühlturms angesetzt wird, desto größer wird die erforderliche Wärmeübertragungsfläche. Mit größeren Wärmeübertragungsflächen läßt sich die Wärme im tieferen Lufttemperaturbereich ohne Benetzung des Wärmeaustauschers an die Umgebungsluft abführen. Obgleich durch die zusätzlichen Einrichtungen, die für die hybride Verflüssigung im Trockenkühlturm vorgesehen werden müssen, ein höherer Kostenaufwand getrieben wird, werden diese Zusatzkosten durch niedrigere Betriebskosten kompensiert. Einerseits werden tiefe Kühlmedium-/Verflüssigungstemperaturen angestrebt, um die Verdichterleistung der Kältemaschine klein zu halten, andererseits wird auch eine erhebliche Menge an Kühlwasser eingespart, eine Tatsache, die bei steigenden Wasserpreisen bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ins Gewicht fällt.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0009] So können zur Einsparung von Energie drehzahlveränderliche Ventilatoren verwendet werden, eine Tatsache, die für die Fälle von wesentlicher Bedeutung ist, in denen der Kühlturm/Verflüssiger unterhalb des Auslegungspunktes und im Teillastbereich arbeitet, weil dann der Stromverbrauch und damit die Leistungsaufnahme der Ventilatoren erheblich geringer ist. Mit einer Drehzalregelung wird aber auch Wasser eingespart, da sich mit abnehmender Luftbelastung der Anteil der konvektiven Wärmeabgabe erhöht. Sobald sich nämlich die Luftbelastung des Kühlturms verringert, hat das Benetzungswasser die Tendenz, vermehrt an dem kälteren Wärmeaustauscherteil herunterzurieseln. Die in dem wärmeren Wärmeaustauscherteil befindliche Lamellenfläche bleibt trocken und überträgt sensible Wärme an die vorgekühlte Luft. Durch die verkleinerte Verdunstungsoberfläche wird weniger latente Wärme abgeführt und der Wasserverbrauch geht erheblich zurück.

[0010] Wenn der Enthitzer und der Verflüssiger oberhalb des Verflüssigers so zueinander versetzt werden, daß die untere Stirnseite des Enthitzers nur einen Teil der oberen Stirnseite des Verflüssigers bedeckt, läßt sich im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite eine Vorrichtung zur Aufgabe des Wasser vorsehen, mit dem der Verflüssiger benetzt wird.

[0011] Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

eine schematische Seitenansicht der einen Hälfte des Trockenkühlturms und

Fig. 2

eine im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerte schematische Seitenansicht des Wärmeaustauschers des Trockenkühlturms, bestehend aus einem hybriden Verflüssiger und einem separaten, trockenen Enthitzer für das Heißgas oberhalb des Verflüssigers.

[0012] Von dem in Fig. 1 dargestellten Trockenkühlturm 1, der herkömmlicher Bauart entspricht, ist nur die eine Hälfte gezeigt, die sich auf der rechten Seite seiner Längsachse 6 befindet, die die Symmetrieachse bildet, so daß die linke Hälfte im wesentlichen gleichermaßen ausgebildet ist.

[0013] Der Kühlturmkopf 13 ist mit einem Ventilator 11 ausgestattet, der von einem Motor 14 angetrieben wird, dessen Drehzahl regulierbar ist und der in Richtung der Pfeile A Kühlluft in den Turm einsaugt, die diesen in Richtung des Pfeils B am Turmkopf wieder verläßt. Im Trockenkühlturm befindet sich ein Wärmeaustauscher 2, der zur Längsachse 6 geneigt ist, so daß er mit seinem Gegenüber jenseits dieser Achse eine V-Anordnung bildet, welche sich zum Küblturmkopf 13 hin erweitert. Der Wärmeaustauscher 2 besteht aus einem Enthitzer 3 und einem Verflüssiger 4, der unterhalb des Enthitzers angeordnet ist und damit vom Kühlturmkopf weiter entfernt liegt als der Enthitzer. Der Enthitzer dient zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels, das am Heißgaseintritt 15 zugeführt wird.

[0014] Der Enthitzer 3 ist zweckmäßigerweise ebenso wie der sich an ihn anschließende Verflüssiger 4 ein Lamellenwärmeaustauscher. Der Verflüssiger ist mit Wasser benetzbar, das mit Hilfe einer Vorrichtung 9 an seiner oberen Stirnseite 8 aufgegeben wird und zusammen mit der Kühlluft zur Verflüssigung und Unterkühlung des gasförmigen Kältemittels, beispielsweise NH₃, dient.

[0015] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind der Enthitzer 3 und der Verflüssiger 4 so zueinander versetzt angeordnet, daß die untere Stirnseite 7 des Enthitzers 3 nur einen Teil der oberen Stirnseite 8 des Verflüssigers 4 bedeckt, so daß im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite 8 über eine Vorrichtung 9 Wasser dem Verflüssiger aufgegeben werden kann, um seine Wärmeaustauschoberfläche zu benetzen. Die das Kältemittel führende Rohrschlange 12 des Enthitzers 3 geht direkt in die das Kältemittel des Verflüssigers 4 führende Rohischlange 10 über.

[0016] Das mit Hilfe der Aufgabevorrichtung 9 auf die Lamellen des Verflüssigers aufgebracht Benetzungswasser wird aus einer Wanne 21 am Boden des Trockenkühlturms mit Hilfe einer Pumpe 19 über eine Steigleitung 16 zugeführt und nach dem Ablaufen aus dem Verflüssiger in der genannten Wanne wieder aufgefangen. Ein Frischwasseranschluß 17 dient dazu, das verdunstete Wasser zu ergänzen, während der Wasserstand in der Wanne 21 mit Hilfe einer Niveausonde 18 auf einer gewünschten Höhe gehalten wird. Diese Sonde beeinflußt die Frischwasserzuführ 17. Die Niveausonde dient außerdem dazu, die Pumpe 19 vor Trockenlauf zu schützen.

[0017] Da bei Benetzung des Verflüssigers durch Verdunstung von reinem Wasser der Salzgehalt und die Konzentration der Härtebildner im umlaufenden Benetzungswasser steigen, wird die Wasserqualität über eine nicht dargestellte Meßvorrichtung dadurch konstant gehalten, daß von Zeit zu Zeit mit Hilfe der Abschlämmungseinrichtung 20 "aufkonzentriertes" Benetzungswasser abgelassen wird, um mit Hilfe von bei 17 zufließendem Frischwasser die verlangte Qualität des Benetzungswassers wieder herzustellen.

[0018] Die hybride Verflüssigung des Kältemittels, die mit Hilfe des oben beschriebenen Wärmeaustauschers 2 erreicht wird, hat den Vorteil, daß das heiße Kältemittelgas, das beispielsweise mit einer Temperatur von 130 °C bei 15 in den Enthitzer 3 eintritt, zunächst nur mit Kühlluft so weit abgekühlt wird, beispielsweise auf 40 °C, daß dann eine Verflüssigung im Verflüssiger 4 mit Hilfe von Kühlluft und Benetzungswasser erfolgen kann, ohne daß letzteres zu stark verdunstet. Das verflüssigte Kühlmittel tritt dann bei 23 aus dem Lamellenwärmeaustauscher 4 beispielsweise mit einer Temperatur von 38 °C aus.

[0019] Für die Betriebsphase des Trockenkühlturms bei der hybriden Verflüssigung des Kältemittels ist ein wichtiger Faktor, daß die Drehzahl des Ventilators so gesteuert wird, daß bei maximaler Drehzahl die Lamellen des Verflüssigers über die ganze Tiefe des Wärmeaustauschers, gemessen in Luftströmungsrichtung, benetzt werden und bei reduzierter Ventilatordrehzahl nur der kältere Teil beim Rücklauf. Dadurch wird zum einen kein Tropfenaustrag aus dem Wärmetauscher bewirkt und zum anderen eine Reduzierung des Wasserverbrauches mit steigendem Anteil konvektiver Wärmeübertragung.

[0020] Die sonstigen konstruktiven Merkmale des Trockenkühlturms sind vom Fachmann in Anpassung an die jeweiligen Umstände mit dem Ziel eines möglichst günstigen Wirkungsgrades bei niedrigen Kosten wählbar, wobei auch weitere Ausstattungsmerkmale, beispielsweise ein Einstieg 22 in den Innenraum des Trockenkühlturms, Berücksichtigung finden können.

[0021] Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung, die jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt sind, ist die Kühlkapazität der als Kühlluft angesaugten Umgebungsluft thermisch durch Lufttermperatursteuerung und/oder mechanisch mittels dem Wärmetauscher vor- oder nachgeschalteter Schikanen in Abhängigkeit von der Temperatur des Heißgases des Kältemittels einstellbar. Darüber hinaus können der Erhitzer und auch der Verflüssiger zur Verbesserung der Benetzung des Verflüssigers mit Wasser innerhalb des Kühlturms baulich voneinander getrennte Einheiten bilden. Der Verflüssiger als auch der Erhitzer können aus mehreren selbständigen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen, die zueinander parallel oder in Reihe geschaltet sind.

Ansprüche

1. Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln, mit einer wasserbenetzbaren, luftseitigen Wärmeübertragungsfläche zur Verflüssigung des Kältemittels durch mittels wenigstens einen Ventilator angesaugter Umgebungsluft als Kühlmittel und Verdunstung von im Kreislauf geführten Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockerkühlturm (1) einen Wärmeaustauscher (2) aufweist, der zur Enthitzung bzw. Vorkühlung des Heißgases des Kältemittels durch trockene Umgebungsluft in einen Enthitzer (3) und einen Verflüssiger (4) aufgeteilt ist, wobei letzterer mit Wasser benetzbar und zwecks Verflüssigung und Unterkühlung des Heißgases dem Enthitzer nachgeschaltet ist und sowohl der Enthitzer als auch der Verflüssiger von Kühlluft durchströmt werden.

2. Trockenkühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer (3) und der Verflüssiger (4) Wärmeaustauscher sind, die bezüglich ihrer Längsachse (5), die zur Längsachse (6) des Trockenkühlturms geneigt ist, gegeneinander versetzt sind.

3. Trockenkühlturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (3, 4) Lamellenwärmeaustauscher sind.

4. Trockenkühlturm nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (3, 4) so zueinander versetzt sind, daß die untere Stirnseite (7) des Enthitzers (3) nur einen Teil der oberen Stirnseite (8) des Verflüssigers (4) bedeckt und daß im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite (8) eine Vorrichtung (9) zur Aufgabe des Wassers vorgesehen ist, mit dem der Verflüssiger benetzt wird.

5. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kältemittel führende Rohrschlange (12) des Enthitzers (3) direkt in die das Kältemittel des Verflüssigers (4) führende Rohrschlange (10) übergeht.

6. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug auf die Längsachse (6) des Trockenkühlturms (1) zwei Wärmeaustauscher (2) einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sie mit ihren Längsachsen (5) ein V bilden.

7. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftstrom mit Hilfe wenigstens eines Ventilators (11), dessen Drehzahl regulierbar ist, durch den Turm hindurchsaugbar ist.

8. Trockehkühlturm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des oder der Ventilatoren (11) so bemessen ist, daß selbst bei höchster Drehzahl und damit maximaler Luftbelastung an der benetzten Oberfläche des Verflüssigers (4) kein Tropfenaustrag erfolgt.

9. Trockerkühlturm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei maximaler Ventilatordrehzahl der Wärmeaustauscher über die ganze Tiefe und bei reduzierter Ventilatordrelzahl nur der kältere Teil beim Rücklauf benetzbar ist.

10. Trockenkülturm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkapazität der als Kühlluft angesaugten Umgebungsluft thermisch durch Lufttermperatursteuerung und/oder mechanisch mittels dem Wärmetauscher (2) vor- oder nachgeschalteter Schikanen in Abhängigkeit von der Temperatur des Heißgases des Kältemittels einstellbar ist.

11. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (3) und der Verflüssiger (4) zur Verbesserung der Benetzung des Verflüssigers (4) mit Wasser innerhalb des Kühlturms baulich von einander getrennte Einheiten bilden.

12. Trockenkühlturm nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Verflüssiger (4) als auch der Erhitzer (3) aus mehreren selbständigen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen, die zueinander parallel oder in Reihe geschaltet sind.

Zeichnung