Kühltürme: Grundlagen der Berechnung und Konstruktion

199 Pages·1975·12.07 MB·German

by  Dr.-Ing. Paul Berliner (auth.)

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I(UHLTURME
Grundlagen del'
Berechnung und I(onstruktion
P. Berliner
Springer-Verlag Berlin. Heidelberg· N ew York 1975
Dr.-lng. PAUL BERLrN"ER
Gesellschaft fUr Kernforschung m.b.H., Karlsruhe
M.it 123 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-642-65856-3 e-ISBN-13: 978-3-642-65855-6
DOl: 10.1007/978-3-642-65855-6
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© by Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1975.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1975
Library of Congress Cataloging in Publication Data
Berliner, Paul,1921
Kiihltiirme; Gnmdlagen del' Berechnung und Konstruktion.
Includes bibliographies.
1. Cooling towers. I. Title.
TJ563. B47 621.1'97 74-16354
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnameu, Warenbezeichnungen llBW. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annainne, daB solche Namen im Sinne
der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren lmd daber von jeder-
mallll benutzt werden diirften.
Fur Ina Maria
VOl'wort
Die Ktihlturmtechnik uberspannt heute einen weiten Leistungsbe
reich. Wahrend die groBen Kuhlttirme nahezu ausschlieBlich fUr Kraft
werke benotigt werden, steht bei den kleineren und mittleren Leistun
gen die Kalte- und Klimatechnik an erster Stelle. In beiden Fallen
ist es die Kondensationswarme eines Kreisprozesses, die an die Um
gebungsluft abzuflihren ist.
In den kommenden Jahren wird die Stromerzeugung rasch zu
nehmen; del' Anteil del' Kernenergie wird wachsen; die Aufnahme
fiihigkeit del' Gewasser fUr die zusatzlichen Wiirmestrome wird defini
tiv ihre Grenze erreicht haben. Damit ist zu erwarten, daB die insge
samt an die Luft abzufUhrenden Verlustwiirmestrome noch schneller
ansteigen werden als die Stromerzeugung. Ein ahnlich rasches Wachs
tum zeichnet sich im Kiilte- und Klimabereich abo
Del' steile Anstieg in del' Anwendung von Kuhlturmen bringt neue
Probleme mit sich. Auf del' einen Seite sind es die Umwelteinflusse
del' in ihrem AusmaB bisher unbekannten vViirmestrome, die bei der
zunehmenden Dichte del' Abwarmeausbreitung in den Ballungszentren
del' Industrie nicht mehr vernachliissigt werden durfen. Auf der ande
ren Seite sind es die neuen Erkenntnisse aus mitwirkenden Zweigen
del' Technik (Entwicklung von Spezialventilatoren, Baukorpern aus
GfK, Seilnetzsystemen usw), die veranlassen, in den Konstruktionen
neue vVege einzuschlagen.
Die Literatur tiber die anstehenden Fragen ist weit verzweigt.
Es stellte sich daher fUr das vorliegende Buch die Aufgabe, einen Uber
blick uber die heute gUltigen wissenschaftlichen Untersuchungen zu
geben. Nur bei entschieden speziellen Fragen soIl es bei del' Notwendig
keit bleiben, auf die zu den einzelnen Kapiteln gehorigen Original
arbeiten zuruckzugehen.
Nachdem bisher eine zusammenfassende Ubersicht uber die ver
streuten thermo-, aero- und hydrodynamischen Untersuchungen noch
nicht existiert, rechtfertigt del' gegenwiirtig erreichte Stand der Technik
die Sammlung del' fUr die Zukunft wesentlichen Erkenntnisse. So ist
die vorliegende Zusammenfassung del' Grundlagen ganz auf die Er
fordernisse der kunftigen Entwicklung in del' Kuhlturmtechnik abge
stellt.
Karlsruhe, Oktober 1974 P. Berliner
Inhaltsverzeichnis
1. Thermodynamische Begriffe in del' Kiihlturmtechnik 1
1.1 Verdunstungsprozesse. 1
1.2 Adiabate Sattigung. 1
1.3 Kiihlturmprozesse 1
1.4 Psychrometer . . . 2
1.5 Ubersichtsschema . 3
1.6 lsotherme Verdunstung (GrenzprozeB (2)) 3
1.7 Kiihlgrenze (GrenzprozeB (4)) 4
1.8 Taupunkt (GrenzprozeB (6)) 4
1.9 Gegeniiberstellung . . . . . 4
1.10 Thermodynamische Stri:ime . 5
1.11 Del' Zustandsverlauf von zwei Stri:imen 6
1.12 Verdunstung und Vcrdampfung . 7
l.13 Gleichgewieht und Phasenweehsel . . 7
1.14 Kreislaufe. . . . . . . . . . . . . 8
2. ZustandsgroBen lmd Zustandsbereiche del' feuehten Luft . 10
2.1 Zustandsdiagramme ... 10
2.2 Die vier Zustandsbereiche. . . . . . . . . . . 12
2.3 Grenzzustande. . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Ankniipfung an die thermische Zustandsgleichung 12
2.5 Konzentration. . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Spezifische Enthalpie del' Mischungsteilnehmer. 14
2.7 Spezifische Enthalpie del' feuehten Luft. . . 15
2.8 Die Enthalpien in den vier Zustandsbereichen . 18
2.9 Die Steigung del' lsothermen 18
Literatur ZUlli Kapitel 2. . . . . . . 19
3. Die Verdunstung als MischungsprozeB . 20
3.1 Therlliodynamische Prozesse. 20
3.2 V olIkommene Mischung. . . . 20
3.3 JYIischung zweier Luftstrome . 21
3.4 JYIischung von Luft und Wasser 22
3.5 lYIisehungsprozesse als Naherung . 24
3.6 Psychrometer - Erste Naherung. 24
3.7 Psychrometer - Zweite Naherung 25
3.8 Psychrometer - Beispiel fUr die Auswertung 25
3.9 Kiihlturm - als MisehungsprozeB . . . . . 26
3.10 Kiihlturm - Richtung del' Zustandsanderungen, Zweite Naherung 27
3.11 Kiihlturm - ProzeBverlauf. . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1l.1 Kiihlturm - Reehenverfahren fUr den ProzeBverlauf. . . 28
3.1l.2 Kiihlturm - Beispiel fUr die Berechnung cines ProzeBver-
laufes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.11.3 Kiihlturm - Zeichnerisehe Losung fiir den ProzeBverlauf 31
3.12 Sensible und latente Warme. . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Inhaltsverzeichnis IX
3.13 Latente Warme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.14 Zustandsverlaui des verdunstenden "Vassers. . . . . . . . . . 31
3.15 Richtung del' Zustandsiinderung del' Luit bei Verdlllstungspro-
zessen - niiherungsweise nach den Erhaltungssiitzen . 33
4. Die Verdunstlllg als AusgleichsprozeB. . . 34
4.1 Das Daltonsche Verdlllstungsgesetz . 34
4.2 tJbergang zum Konzentrationsgefiille . 34
4.3 Die Warmeflbertraglmg im Kiihlturm. 35
4.4 Die Theorie von Merkel. . . . 35
4.5 Die Merkelsche Hauptgleichung 36
4.6 Die exakte Ausgangsgleichung . 37
4.7 Die Lewissche Beziehung . . . 37
4.8 Die wirkliche treibende Kraft Ys - Y 39
4.9 Die wirkliche Richtung del' Zustandsiinderungen . 39
4.10 Gesamtiibersicht. . . . . . . . . . 40
4.11 Psychrometer - Exakte Theorie. . . 40
4.12 Psychrometer - Merkelsche Theorie . 40
4.13. Analyse der Zustandsanderungen. . 40
4.14 Psychrometer - Beispiel flir die Auswertung. 42
Literatur zum Kapitel 4. . . 42
5. Die Berechnung del' Leistung 43
5.1 Zustandsverlauf der Luft im Kiihlturm 43
5.2 Bilanzlinie . . . . . . . . . . 44
5.3 Mittelwert-Verfahren von ~!Y1erkel. 45
5.4 Grundgleichung . . . . . 45
5.5 Die Kennzahl Z . . . . . 46
5.6 Das Enthalpiepotential L1ho 46
5.7 Auslegungsbasis . . . . . 48
5.8 Genauigkeit des Verfahrens 49
5.9 Del' Begriff NTU. . . . . 50
5.10 Die Merkelsche Kiihlziffer a . 51
5.11 Genauigkeitsvergleich. . . 51
5.12 Zusammenfassung . . . . 53
5.13 Beispiel flir die Berechnung 53
5.14 Leistungsdiagramme 53
Literatur zum Kapitel 5 . 53
6. Optimale Auslegung. . . 56
6.1 Reduktion auf zwei Optima 56
6.2 Das Optimum (1nw/mL)opt . 57
6.3 Die spezifische Warme del' gesiittigten Luft 58
6.4 Abweichungen vom Optimum . . . . . 58
6.5 Abweichungen vom Optimum (mw/mL)opt 59
6.6 Das Optimum (aA/mL)Opt. . . . . . . 60
6.7 ~bweichungen vom Optimum (aA/mL)Opt 61
6.8 Uberpriifung einer Auslegung . . 61
6.8.1 Das Optimum (rhw/mL)opt . 62
6.8.2 Das Optimum (aA/1nL)opt . 62
6.8.3 Fazit. . . . 62
Literatur zum Kapitel 6. . . . . . . 63
x
Inhaltsvel'zeichnis
7. Anwendung del' Analogien zwischen den Ausgleichsprozessen 63
7.1 Effektivitat del' Warmeiibertragung 63
7.2 Transportphanomena. . . . . . . . . . . 63
7.3 Geordnete und ungeordnete Enel'gie . . . . 64
7.4 Energieumwandhmg und Energieiibertragung 64
7.5 Chilton-Colburn-Analogie. . . . . . . . . 65
7.6 Anwendung auf den trockenen Warmeiibergang 66
7.7 Anwendlmg auf den nassen Warmeiibergang. 66
7.8 Die Stanton-Zahl. . . . . . . 67
7.9 Minimaler Druckverlust LlPe. . 68
7.10 Minimaler Leistungsbedarf Ecc. 68
7.11 Rechnungsgang . 69
Literatur zum Kapitel 7. . . . . . 69
8. Der Mechanismus des Warme-, Stoff-und Impulsaustausches . 70
8.1 Konfigurationen. . 70
8.2 Analyse. . . . . . 71
8.3 Raumlicher Wechsel 72
8.4 Zeitlicher Wechsel . 73
8.5 Folgerungen fiir die Gestaltung der Austauschkiirper 74
8.6 Makroanalyse . . . . . . . . 77
8.7 Klassische Konfigurationen . . 78
8.8 Senkrecht berieselte Rohrwand 79
8.9 Einzeltropfen . . . . . . 82
8.10 Quer angestriimte Zylinder 83
8.11 Hiiherer Leistungsaufwand 84
Literatur zum Kapitel 8. . . . 85
9. Leistungsmessungen fUr verschiedene Konfigurationen . 86
9.1 Lattenroste mit Spl'iihraumen . . 86
9.2 Filmverdunstung. . . . . . . . 91
9.3 Filmverdunstung und Spriihraumc 94
9.4 Wiederholte Anlaufstriimungen 96
9.5 Kreuzweise angeol'dnete Wellbahnen 97
9.6 Spriihraume. . . . . . . . . . . 97
9.7 Vol'behalt beziiglich del' tibertragbarkeit der MeBwerte 98
Literatur zum Kapitcl 9. . . . . . . 99
10. Trockene und nasse WarmeabfUhrung . 101
10.1 Vorteile der trockenen WarmeabfUhrung . 101
10.2 Anwendungsbereiche fUr trockene WarmeabfUhrung . 102
10.3 Kraftwerke. . . . . . . . . . . . . . 103
10.4 Grundgedanken des Vergleichs . . . . . 103
10.5 Anwendung der Chilton-Colburn-Analogie 104
10.6 Darstellung im Zustandsdiagramm 105
10.7 Anwendung des Diagramms . . . . . . 106
10.8 AbscI1atzung fiir die gesamte Austauschflache. 107
10.9 Misch- oder Oberflachenkondensator. 108
10.10 Relation der Austauschflachen 108
10.11 Folgerungen . . . . . . . . . . . 108
10.12 Ausfiihrungsprinzip . . . . . . . . 109
10.13 Automatische Anpassung an die giinstigste Betriebsweise . 110
Inhaltsverzeichnis XI
10.14 Beispiele fiir Anwelldungsfiille III
10.14.1 Auslegung. . . . . . 111
10.14.2 Einsparungen beim Wintel'betrieb 112
Literatur zum Kapitell0 . . . . . . . . . . 113
ll. Stromungsfiihrung del' Luft im Kiihlturm . . . 114
11.1 Ael'odynamische Merkmale del' Kiihltilrme 114
11.2 StromullgsfUhrung und Ventilator-Konstruktioll 114
11.3 Aerodynamische ~rangeI . . . . . . . . . 115
11.3.1 Zu engel' Querschnitt am Lufteilltl'itt . . 115
11.3.2 Auflagell bilden Windschatten . . . . . 116
11.3.3 Tl'ichterfOrmige Eillschniirungell VOl' Velltilatol'en . 116
11.3.4 Zu kleiner Ventilator . 117
11.3.5 Ullgeeignete Diffusorell 118
11.3.6 Zu dichte Aufstellullg 119
11.3.7 Rezirkulatioll. . . 119
11.3.8 Fazit . . . . . . 120
11.4 Aufstellungsbedillgungen. 120
11.5 StromullgsfUhrungen. 121
11.5.1 Kreuzstrom . 121
11.5.2 Gegenstrom . 122
11.5.3 Diagollalstrom 122
11.6 Saugende und driickende Anordnung del' Ventilatorell 122
Literatur zum Kapitel 11 . . . . . 123
12. VentiJatoren fiir Kiihltiirme . . . . 123
12.1 Die drei BewertungsmaBstabe 123
12.2 Leistungsbedarf . . . . . . 124
12.3 Statischer und dynamischer Druckanteil 124
12.4 Belastung des Antriebs 126
12.5 Gerauschelltwicklung 126
12.6 Herstellullgsaufwand 128
12.7 Fazit . . . . . . . 128
12.8 Axialventilator aus glasfaserverstarktem Polyester mit getrennten
Schaufeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
12.9 Axialventilator aus glasfascrverstarktem Polyester als ungeteilter
Formkorper . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
12.10 Axialventilator als Schalenkonstruktioll aus Metal! 131
12.11 Zelltrifugalvelltilator als Schalenkonstruktion . 134
12.12 Linearventilator 137
Literatur zum Kapitel 12 139
13. Natiirlicher Zug . . . . 139
13.1 Uberblick . . . . 139
13.2 Hyperbolische Kiihltiirme 140
13.3 Probleme del' GroBe. . 141
13.4 Seilnetz-Konstruktionell 141
13.5 Kamin und Ventilator. 142
13.6 Archimedischer Auftl'ieb 144
13.7 Theorie von Chilton 146
13.8 Wirksame Hohe. . . . 146
13.9 MaBrelationen . . . . 147
13.10 Perimetrische Kiihlwande 149
13.11 Versuchsergebllisse . . . 151
XII Inhaltsverzeichnis
13.12 Spriihteiche 152
Literatur zum Kapitel13 153
14. Umgebungseinfliisse auf die Leistung 154
14.1 Leistungsmessungen ..... 154
14.2 Die Schichtung del' Umgebungsluft 154
14.3 Die Ausbreitung del' erwarmten Luft 157
14.4 Dimensionsanalyse 159
14.5 Windeinfliisse. . . 160
14.6 Messungen. . . . 161
Literatur zum Kapitel14 162
15. Nebelbildung und Tropfenauswurf 162
15.1 Umwelteinfliisse . . . . . 162
15.2 Thermodynamik del' Nebelbildung und Nebelauflosung. 163
15.3 Technische MaBnahmen zur Verhinderung von Nebel in der
Umgebung ........... . 166
15.3.1 Die Austauschflache vergroBern . 166
15.3.2 Die Luftleistung erhiihen. . . . 167
15.3.3 Die Warme trocken abfiihren. . 168
15.3.4 Vermischung zweier Teilstrome . 168
15.3.5 Verdunstung und anschlieBende trockene Kiihlung 169
15.4 Gegeniiberstellung des Mehraufwands fUr die MaBnahmen zur
Nebelbeseitigung anhand eines Zahlenbeispiels . 170
15.4.1 Die Austauschflache vergroBern . 170
15.4.2 Die Luftleistung erhohen. . . . 171
15.4.3 Die Warme trocken abfiihren. . 171
15.4.4 Vermischung zweier Teilstrome. 171
15.4.5 Verdunstung und anschlieBende trockene Kiihlung. 171
15.5 Tropfen in den Kiihlturmschwaden . . 172
15.6 Tropfenabscheidung. . . . . . . . . 172
15.7 Entbehrlichkeit del' Tropfenabscheider . 174
Literatur zum Kapitel15 175
16. Kiihlwasser-Verteilung 176
16.1 Verteilsysteme 176
16.2 Verteilbecken. 176
16.3 Prallteller . . 177
16.4 Spriihdiisen 178
16.5 Segnersche Wasserrader 179
16.6 Turbinenantrieb des Ventilators. 181
16.7 Kiihlwasser-Kaskaden. 182
Literatur zum Kapitel 16 . 183
17. Kiihltiirme in Kraftwerken 183
17.1 Kondensatordruck 183
17.2 Warmeabgabe .. . 183
17.3 Kernkraftwerke .. . 184
17.4 Verdunstungskiihlung 184
17.5 Optimierung des Kondensationsdruckes 184
17.6 Ablaufkiihlung . . 185
17.7 Umwalzpumpen .. 185
Literatur zum Kapitel17 186
Sachverzeichnis . . . . . . 187