Untersuchungen über die Wasserrückkühlung in künstlich belüfteten Kühlwerken 9783486758832, 9783486758825

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Untersuchungen über die Wasserrückkühlung in künstlich belüfteten Kühlwerken Von

Friedrich Wolff Berlin-Charlottenburg

OS Druck und Verlag von R. Oldenbourg, München und Berlin 1928

Alle Rechte, einschließlich des Übersetzungsrechtes, vorbehalten. Copyright 1928 by R. Oldenbourg, München und Berlin.

MEINEM VATER, DEM MENSCHEN UND DEM INGENIEUR, IN D A N K B A R K E I T G E W I D M E T

Vorwort. Die Versuche, über die die vorliegende Arbeit berichtet, sind im Maschinenl a b o r a t o r i u m der Technischen Hochschule B e r l i n - C h a r l o t t e n b u r g a u s g e f ü h r t worden. Sie sollen ü b e r den W ä r m e a u s t a u s c h , der im Rieseleinbau eines gegebenen V e n t i l a t o r kühlers zwischen L u f t und W a s s e r s t a t t f i n d e t , Aufschluß geben u n d klarlegen, bis zu welchen T e m p e r a t u r e n hierbei eine W a s s e r r ü c k k ü h l u n g u n t e r den verschiedenartigsten Frischluft- und W a r m w a s s e r v e r h ä l t n i s s e n s t a t t f i n d e t . Die D u r c h f ü h r u n g der u m f a n g r e i c h e n Versuche w u r d e mir d u r c h das gütige E n t g e g e n k o m m e n des Vorstehers des g e n a n n t e n L a b o r a t o r i u m s , Herrn Geh. Regierungsr a t Prof. E. J o s s e , wesentlich erleichtert, d e m ich f ü r die Z u r v e r f ü g u n g s t e l l u n g des f ü r die V e r s u c h s e i n r i c h t u n g erforderlichen R a u m e s u n d der f ü r die Versuche nötigen W a r m w a s s e r m e n g e n zu großem D a n k v e r p f l i c h t e t bin. F e r n e r m ö c h t e ich nicht v e r s ä u m e n , auch bei dieser Gelegenheit der F i r m a D a n n e b e r g & Q u a n d t , Berlin 0 112 bestens f ü r die f r e u n d l i c h e U n t e r s t ü t z u n g zu d a n k e n , die sie meinen Arbeiten durch die leihweise Überlassung eines N i e d e r d r u c k v e n t i l a t o r s zuteil werden ließ. B e r l i n , den 10. O k t o b e r

1927.

Friedrich Wolff.

Inhaltsverzeichnis. E i n l e i t u n g : Theoretische Grundlagen der Wasserrückkühlung A b s c h n i t t I: Untersuchungen über den Wärmeaustausch im Rieseleinbau eines Ventilatorkühlers a) Grundgesetze des Wärmeaustausches im Kühlwerk b) Theorie und Versuche von Merkel c) Eigene Versuche zur Merkeischen Theorie A b s c h n i t t II: Untersuchungen über die Gesetzmäßigkeit des Wasserrückkühlvorganges in einem künstlich belüfteten Kühlwerk a) Grundlegende Betrachtungen b) Eigene Versuche c) Versuche von Merkel d) Ergebnis der Untersuchungen A b s c h n i t t I I I : Anwendung der aufgestellten Theorie zur Ermittlung des wirtschaftlichsten Luftgewichtes A n h a n g : Anlage 1—8.

Seite

1 7 7 10 12

24 24 25 33 38 39

Einleitung.

Theoretische Grundlagen der Wasserrückkühlung. Dampfkraftbetriebe, die mit Kondensation arbeiten, sind bei Frischwassermangel auf eine Wiederverwendung des aus dem Kondensator kommenden warmen Wassers angewiesen. Sie brauchen hierzu besondere Wasserrückkühlvorrichtungen, denen das warme Wasser im allgemeinen oberhalb eines Latten- oder Rieseleinbaues durch eine Verteilvorrichtung zugeführt wird. Durch den Latteneinbau rieselt oder fällt es nach unten, wobei es fortlaufend fein zerteilt wird und die vorher im Kondensator aufgenommene Wärme an quer- oder gegenströmende Luft abgibt. Die Luftbewegung wird entweder durch natürlichen oder künstlichen Zug bewirkt. Im ersten Falle erhält das Kühlwerk über dem Rieseleinbau einen turmartigen Aufbau (Schacht), so daß die Luftströmung durch die Unterschiede der spezifischen Gewichte zwischen der Luft im Turminnern und der freien Atmosphäre zustande kommt. Man spricht dann von selbstlüftenden Kaminkühlern im Gegensatz zu den Ventilator kühlem, bei denen der Turmaufbau wegfällt und die Luftbewegung künstlich erzeugt wird. Der Wärmeaustausch, der in der Rieselvorrichtung eines Kühlwerks zwischen Wasser und Luft stattfindet, geht so vor sich, daß sich die Luft am warmen Wasser erwärmt und mit Feuchtigkeit sättigt, während das herabrieselnde Wasser sich abkühlt. Dabei verdunstet ein Teil des Wassers, der im Kreislauf einer Rückkühlanlage fortlaufend durch eine entsprechende Zusatzwassermenge ersetzt werden muß. Der geschilderte Wärmevorgang kommt am deutlichsten in der Wärmebilanz eines Kühlwerks zum Ausdruck. Bezeichnet das Warmwassergewicht, das stündl. dem Kühler am oberen Ende des Rieseleinbaus zugeführt wird, & °C die Wassertemperatur, L kg/h das stdl. den Einbau durchströmende Reinluftgewicht, i kcal/kg Reinluft den auf 1 kg Reinluft bezogenen Wärmeinhalt der den Einbau durchströmenden feuchten Luft, Reinluft das auf 1 kg Reinluft bezogene Wasserdampfgewicht kg/kg der den Einbau durchströmenden feuchten Luft, W 0 kg/h das stdl. erforderliche Zusatzwassergewicht ( = dem Gewicht des stdl. verdunstenden Wassers), Index 1 : Lufteintritt und Wasseraustritt, Luftaustritt und Wassereintritt, Index 2: W

kg/h

so werden dem Kühler stdl. (s. Abb. 1) zugeführt: W - d 2 + L • i'i kcal/h und abgeführt: (W — VV0) ! + L • i 2 kcal/h. W o l f f , Kühlwerke.

Abb. 1. Schema eines Kühlers.

1

2 Es läßt sich daher unter der Voraussetzung, daß die Wärmeableitung durch die Kühlerwände vernachlässigbar klein ist, die folgende Beziehung aufstellen: L-il oder, da

Wr0

+ W-9t

= L-it

+ (W—W^-»

x

(1)

= (x 2 — x t ) - L — #1) = L • ((i2 — i'i) — (x2 — Xj) •

(2)

Der Rückkühlvorgang ist also verbunden mit einer Zustandsänderung der feuchten Kühlluft, die eine Zunahme ihrer Temperatur und ihres Feuchtigkeitsgehaltes erfährt. Feuchte L u f t ist bekanntlich ein Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf. Das Wasser dampf gewicht x in feuchter Luft, bezogen auf 1 kg Reinluft, ist gleich dem Wasserdampfgewicht im zugehörigen Taupunkt und ergibt sich zu x — v • yD kg/kg Reinluft. Da in einem Gemisch alle Bestandteile gleiches Gesamtvolumen und gleiche Temperatur haben, so ergibt sich v aus der Zustandsgieichung für 1 kg Reinluft zu v

R -T 29,27 . (273 + t) _ — fiL ~~ 10000 1 ' 735,6

0

'

273 + t h — h„ '

wenn der Gesamtdruck h und die Teildrücke h,, und h„ der Luft in mm QS eingesetzt werden. Die absolute Feuchtigkeit im Taupunkt y„ (in kg/m 3 Gemisch) ergibt sich aus der Dampftabelle zur Temperatur im Taupunkt (f °C). Bedeutet ferner: cv ^ 0,24 kcal/kg 0 C die spezifische Wärme der trockenen Luft bei konst. Druck, t 0 C die Lufttemperatur, t' 0 C die Temperatur im Taupunkt, i" kcal/kg den Wärmeinhalt des trockenen gesättigten Wasserdampfes bei V °C, cPD 9£ 0,47 kcal/kg 0 C die spezifische Wärme des Wasserdampfes bei konst. Druck, so ist der Wärmeinhalt feuchter Luft, bez. auf 1 kg Reinluft, i = Wärmeinhalt von 1 kg Reinluft + Wärmeinhalt des auf 1 kg Reinluft entfallenden Wasserdampfgewichtes, i — 1 • iL + x • iD = cp-t + x-(i" + cpD-(t — 0 ) kcal/kg Reinluft. Unter dem Taupunkt versteht man die Temperatur V 0 C, bis zu der feuchte Luft abgekühlt werden muß, um ohne Wasserdampfaufnahme ihre Sättigung zu erreichen. Da bei der Abkühlung der Teildruck des Wasserdampfes in der feuchten Luft unverändert bleibt, ergibt sich t' als Sättigungstemperatur zu dem Teildruck des Dampfes bei

h— 5

•C

•C

•C

•c

•C

•c

30,5 27,5 23,5 20

42 39 34,5 27 40,5 34,5 29 41 34 26,5

47 43 36,5 29,5 49 39,5 32 50 40 31

25,5 24 22,5 19 34,5 31 27 33 29,5 24,5

39,5 35 29 22,5 28,5 20 13 33 23 15

21,5 19 14 10,5 14,5 8,5 5 17 10,5 6,5

37 32,5 28,5 36 31 26

Zahlentafel

9. 2

V e r s u c h s e r g e b n i s s e bei w = 6510 k g / m h und l = 6060 k g / m 2 h . Frischlufttemperatur

Nr.

trocken —

t.

Ti

•C

^ 1 = 1,2 • ' h = 1,5

7 8 8 19 19 19 17 16 16

V, —

gemessen

feucht

•C 7 8 8 21 21 21 18 17 17

11 12 13 14 15 16 17 18 19

Wassertemperatur in fi m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

•c

•C

21 23,5 24 37 31 27 35 29 25,5

20,5 22 25

•C

;l

h = 2,25 •''/i = 3,65 •C 21,5 24 26,5

38 32 28,5 36,5 30,5 26,5 Zahlentafel

T,

>'h = 5

• c

•c

•c

•c

•c

27 32 36 43 35,5 29,5 40,5 33 27,5

30 37 41 51,5 40 32 48 38 31

20 23 24,5 36 31 27 34 28,5 25

23 29 33 32,5 21 13 31 22 15

10 14 16,5 15,5 9 5 14 9,5 6

10. 2

V e r s u c h s e r g e b n i s s e bel w = 6510 k g / m h u n d l = 3 4 4 0 k g / m 2 h . Frischlufttemperatur

Nr.

trocken —

20 21 22 23 24 25 26 27 28

J

Wassertemperatur In A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

feucht

¿ , - T ,

gemessen

t,

Ti

•C

•C

•C

• c

10 11 12 13 21 21 19,5 19,5 18

10 11 12 13 19,5 19,5 18 18,5 17

22 24,5 28 31 38 34 27 36 27

23 25,5 28 32

i,

h= 0

v

= 1,2 • /i = l,5 •c

39 35,5 28 35,5 28,5

2,25

>v

/i=3,65

= 5

•c

•C

•C

•c

•C

•c

25 29 32 34,5

29,5 36 40 44 44,5 38 29 39 29

30 37 41,5 48 50 41 30 44,5 31

23,5 27 30,5 34,5 38,5 34,5 27 35,5 27

20 26 29,5 35 30,5 21,5 12 26 14

6,5 10 11 13,5 11,5 6,5 3 9 4

) D u r c h z e i c h n e r i s c h e s A u f t r a g e n d e r g e m e s s e n e n T e m p e r a t u r w e r t e » — / (A) e r m i t t e l t .

27

Zahlentafel

11.

Versuchsergebnisse bel w = 5070 kg/m 2 h und l -= 8690 kg/m 2 h.

Nr.

—

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

Frischlufttemperatur

Wassertemperatur in A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

trocken

feucht

t,

Ti

gemessen

•C

•C

*C

9 10 10 11 22 22 21,5 20 19 19 17,5 17 16 11 11 10,5

9 10 10 11 20 20 19,5 18 17,5 17 17,5 16,5 15,5 10,5 10,5 10

20,5 23 24,5 27 30 26 24 30 27 24 31,5 28 23 24 21 19,5

9h

= 1.2 •C

i>h=l£

°h = 2,25

#A=3,65

^• = 5

•C

•C

•C

•c

•c

•c

29,5 37 42 47,5 50 39 31 51,5 40 30 50 40 30 40 30,5 28

19,5 22 22,5 24,5 35 28 25 30,5 27 24 29,5 27 22,5 22,5 20,5 18,5

20,5 27 32 36,5 30 19 11,5 33,5 22,5 13 32,5 23,5 14,5 29,5 20 18

10 15 19,5 23 19,5 11 6 21 13 6 20,5 13 7,5 17,5 10 9,5

•C

21,5 25 28 30 36,5 31 27 36,5 29 25 32,5 28 22,5 25 22 19

25 30 32 35 38,5 32,5 27,5 39 33 27 38 32,5 25,5 32 25,5 23

Zahlentafel

12.

Versuchsergebnisse bei w = 5070 k g / m ' h und l = 6060 k g / m ' h . Nr.

Frischlufttemperatur trocken

45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

Wassertemperatur in A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

feucht

S,-

gemessen

U

Ti

^h = 0

•C

•C

•C

8 9 9,5 10 19 18 16,5 16,5 15 11 12 12

8 9 9,5 10 17,5 16,5 16 16 14 10,5 11,5 11,5

21 23,5 26 28 29 24,5 34 29,5 24 19,5 25 28

,VA

•C

•c 22,5 26 29,5 31,5 30,5 24,5 33 28,5 23 20,5 25,5 29,5

Sx

= 2,25 °h = 3,65 •C

T,

•C

•C

•c

•c

•C

27 30 33 36 35 28 39,5 33,5 27 24 30,5 36

31,5 36,5 42 47 40 30 49,5 40 30 27 37 43

20,5 22,5 25 26,5 29 24 32 28 23 19,5 24,5 27,5

23,5 27,5 32,5 37 22,5 13,5 33,5 24 16 16,5 25,5 33,5

11 14 17 20,5

' ) Durch zeichnerisches Auftragen der gemessenen Temperaturwerte 9 = / (h) ermittelt.

H

6 17,5 12 7 7,5 12,5 17,5

28

Z a h l e n t a f e l 13. Versuchsergebnlsse bel w = 5070 kg/m 2 h und l = 3620 kg/m'h. Nr.

Frischlufttemperatur trocken

—

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

feucht

t,

Ti

•C

•C

12 13 14 14 22,5 21,5 21 21 21 20,5 27,5 26 25,5 21,5 21 19,5 21 17,5 16 15 14,5 14 13

Wassertemperatur in h m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

»h = 0

•'/.=--1,2 "h = 1,5 ''/i = 2,25 •'/i = 3,65

•c

11,5 12,5 14 14 20,5 19,5 19 19 19 18 27,5 26 25,5 20 19 17,5 19 17 15,5 14,5 14 13,5 12,5

0, — f,

gemessen

•c

24 27 31 34,5 35,5 32 26,5 34,5 31,5 25,5 39 34 29 36 33 25,5 35 36,5 26 24,5 32,5 29,5 23

'C

•C

23,5 27 29,5 32 37,5 32 27 36,5 33 27 40 35 29,5 36 33 26 34,5 36,5 31 24,5 33 28 22,5

•C

28,5 33 38 42 43,5 37 29,5 44 37 28,5 45 38 30 44 37 28,5 41 43 34 27 38 34,5 26

:>, - 9x

"/.= 5

y.

•c

•c

•c

•c

30,5 36 42 47,5 49,5 40 31 50,5 41 30 50,5 40 31 50 41 29,5 45,5 50 39 29,5 44 38,5 28

23 26 29 32 36,5 31,5 26,5 36 32 26 39,5 35 29 36 32,5 25,5 34 35 28 24 31 28 22

19 23,5 28 33,5 29 20,5 12 31,5 22 12 23 14 5,5 30 22 12 26,5 33 23,5 15 30 25 15,5

7,5 10 13 15,5 13 8.5 4,5 14,5 9 4 11 5 2 14 8,5 4 11,5 15 11 5,5 13 10,5 6

Z a h l e n t a f e l 14. Versuchsergebnisse bei w = 3080 kg/m 2 h und l = 8690 kg/irfh. Nr.

Frischlufttemperatur trocken

-

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

Wassertemperatur in A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

feucht

n . - u

gemessen

f.

Tl

•'/. = 0

•C

•C

•c

9 9 17 17 16 20 20 20 11 11 10,5

8 8 16,5 16 15 18,5 18,5 18,5 10,5 10,5 10,5

15 14,5 22 19,5 18,5 22,5 22 21 14 13,5 14

:l

h = 1.2 •C

"h = 1,5 •C

17 15,5 22,5 20,5 19 24 23,5 22,5 17,5 16,5 15,5

;

'h = 2,25 '>1 = 3,65 •C

•C

31 26 37 31,5 26,5 39,5 34 27 32,5 30 24

H,

-

•'/! = 5

.''i

• c

•c

•c

•C

37,5 30 45 37 29,5 49,5 40 30 47 39,5 28,5

14,5 14 21 20,5 19 22,5 23 22 14 15 15

29,5 22 28,5 21 14,5 31 21,5 11,5 36,5 29 18

23 16 24 16,5 10,5 27 17 8 33 24,5 13,5

*) Durch zeichnerisches Auftragen der gemessenen Temperaturwerte » = / (ft) ermittelt.

Z a h l e n t a f e l 15. Versuchsergebnisse bei w = 3080 kg/m* h und l ---• 6060 kg/m2h. Frischlufttemperatur

Nr.

trocken

Wassertemperatur In A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

feucht

».

—

01 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101

gemessen :'h

= 0

•C

•C

•C

8 7 7 14 15 15,5 20 19 18,5 12 12

8 7 7 13 14 15 17 17 16,5 11,5 11,5

16 16 16,5 18 19,5 20,5 21 20,5 19 15,5 14,5

fy = 1,2

•c

!>h

= ifi

aA

•C

= 2,25 ^ h = 3,65 •C

•C

•C

36 31 36 28 33 37,5 35 28 23 30 26

19 18,5 19 19,5 21,5 23 23,5 22 20 19 17,5

•''/• = 5

45 37 44 31 37,5 46 40 30 24 36 30

•c

16 16 16 19,5 21,5 22,5 23 22 19,5 18 16,5

•c

•c

37 30 37 18 23,5 31 23 13 7,5 24,5 18,5

29 21 28 11,5 16 23,5 17 8 4,5 18 13,5

Z a h l e n t a f e l 16. Versuchsergebnisse bei w - 3080 kg/m2 h und l = 3620 kg/m2h. Frischlufttemperatur

Nr.

trocken -

102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114

Wassertemperatur in A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

feucht

9, — i),

gemessen

t.

Ti

•C

•C

•C

10,5 10 10 11 11,5 11,5 10 13 19,5 20 20 13,5 13

9,5 9 8,5 10,5 11 11 9 11,5 17 17,5 17,5 13 12,5

20 18 16 20 19,5 17,5 14,5 20,5 23 21 20 18,5 17,5

9h

= 0

= l,2

= 1,5 V h — 2,25

•c

•C

tfA

ah

= 3,65 •C

•C

24 21,5 19 24,5 23,5 20,5 16,5 24 26 23 22 22 20

38 32,5 27 42 35 28 20,5 38,5 36,5 28,5 24 31 26,5

•''A = 5

v,

•C

•c

•c

•C

45 37,5 30 50 39 30,5 22 44 40 30 25 35 29

21,5 19,5 17,5 22,5 22 19 15 23 26 23 21 21 19

35,5 28,5 21,5 39,5 28 19,5 13 32,5 23 12,5 7,5 22 16,5

23,5 18 12,5 27,5 17 11,5 7 21 14 7 4 14 10

Z a h l e n t a f e l 17. Versuchsergebnisse bei w = 1810 kg/m2 h. Nr.

Oewicht

FrischluftTemperatur trocken

Wassertemperatur in A m Höhe über der Lufteintrittsöffnung

f.

Ti

kg/m'h

•C

•C

•C

115 8690 116 » 117 118 9t

20 19,5 19 20

19 18,5 18 19

19,5 19 18,5 19,5

119 6060 120 tf

18,5 18

18 17

121 3440 122 123 »

18,5 19 20

17,5 18 19

—

».-y,

gemessen

feucht

1

sh

= 0

^A = 2.25 ^A—3.65

•c

**h = 5

•C

•C

•C

•c

•C

•c

20,5 20,5 19 20,5

26,5 25 21 27

37 31,5 23 36,5

44 36 25 42

17 19 19 18

25 17,5 7 23

27 17 6 24

20 19

21 19,5

28 22

34 26

38 28

20 19,5

20 11

18 8,5

19,5 21 23

20,5 22 24

24 27 32

26 35 40,5

27,5 39 45

20,5 23 24

10 21 26

7 16 21

•C

>) Durch zeichnerisches Auftragen der gemessenen Temperaturwerte » = f (h) ermittelt.

30 û # oC

"C

20

20 10

10

C=0.185

0

10

20

Abb. 11. J9~f{9,—T,)

á

30

1 f i r Z j "C

bei u> = 6510 kg/m'h

und l = 9 0 4 0

„

0

C'0,17 20

10

30

-¿2-Z7°C

A b b . 12. . 1 ! ) =/(>V, - T , ) bei w = 6 5 1 0 kg/m'h und 1 = 6 0 6 0 „

l*

"C 20

°C

20

10

G* 0,13 10

20

30

¿¡-TSC

A b b . 1 3 . J 9 ~ } ( 9 , — T,) bei w = 6 5 1 0 k g / m ' h und / = 3 4 4 0 „

0

C'0,22 20

10

30

4 - Z ) "C

A b b . 14. . ! ! > = / ( ! ) , — T i ) bei w = 5 0 7 0 k g / m ' h u n d I = 86ÖO ,,

ûJ "C 20 10

C'0,19

0

10

20

30 - ¿ ¡ , - Z , "C

A b b . 15. J 9 = - f ( 9 , — T , ) bei u> = 5 0 7 0 k g ' m ' h und ( = 6 0 6 0 „

A b b . 16. . I H = 1 ( 0 , — T , ) bei u> = 5 0 7 0 kg/m'h und I = 3 6 2 0 „

A -fi "C 30

A¿ "C 30

20

20 10

10

C'0,305

0

10

A b b . 17. ¿10

20

30 f z - Z r ° C

= 1 ( 9 , — T,) bei W = 3 0 8 0 kg/m'h und l = 8 6 9 0 „

0

W

10

20

C= 0,13 fur 1-8690 c= 0,37 - 1=6060 c= 0,31 " l=3¥W

30

"C

20

20

10

10

Abb. 19. J

0=0,265

c '0,23

10

20

30 J 2 - Z r " C

9 = f ( 9 , — T,) bei u> = 3 0 8 0 kg/m'h und ( = 3 6 2 0 „

30 i * 2 - r , °c

A b b . 18. J !> = /(•'>, — T , ) bei u> = 3 0 8 0 kg/m'h und l - 6 0 6 0 „

AJ "C 50

0

>

0

//

d b Û

10

20

30

C

A b b . 20. . / « = /(.'/, — r , ) bei w = 1 8 1 0 k g / m ' h

31 Die Zahlentafeln 8—17 enthalten bereits die jeweils aus den Versuchsdaten ermittelten Differenzen — r x und &2 — &1 = A& ( = insgesamt erzielte Wasserabkühlung im Einbau). Trägt man im Verfolg des beabsichtigten Versuchsweges A # in Abhängigkeit von &2 — xi auf, wie dies in den Schaubildern Abb. 11—20 geschehen ist, so ergibt sich für konstante, den Kühlereinbau durchströmende Luft- und Wassergewichte je eine Kurve, und zwar folgen alle Kurven dem Gesetz A& = c - ( 0 2 — xtf*. Die Wasserabkühlung A & = — für die Geibel den Ausdruck „Kühlzonenbreite" eingeführt hat, wächst also stets mit der l,3ten Potenz von — rv Der Faktor c hängt außer von der Kühlereinbauart nur vom Wasser- und Luftgewicht ab, das den Kühler durchfließt. Er ist bei unveränderlichem Wasser- und Luftgewicht konstant und demnach unabhängig vom Wasser- und Frischluftzustand, deren Einfluß auf die Wasserabkühlung nur in der Differenz &2 — r x zur Geltung kommt. Bezeichnet wie früher W kg/h das stdl. den Kühler durchströmende Wassergewicht, w = W : F kg/m 2 h das stdl. durch 1 m 2 des Kühlerquerschnittes F fließende Wassergewicht, L = kg/h das stdl. den Kühler durchströmende Reinluftgewicht, l = L : F kg/m 2 h das stdl. durch 1 m 2 des Kühlerquerschnittes F fließende Reinluftgewicht, so ergibt die Darstellung des Faktors c in Funktion von l für jeden Wert w eine Kurve (s. Abb. 21). Für alle c-Kurven gilt hier c= k-jl,

Abb. 21. c = / ( i ) .

Abb. 22. k = / ( w ) .

wobei k nur von der Kühlereinbauart und dem Wassergewicht iv abhängt und für eine bestimmte Einbauart und ein und dasselbe Wassergewicht konstant ist. So ist hier für iv = 6510 5070 3080 1810 kg/m 2 h k = 0,0043 0,005 0,0072 0,01 Trägt man k in Abhängigkeit von w auf (s. Abb. 22), so ergibt sich k = C:

32 Hierin ist der Wert C unveränderlich. Er hängt nur von der Einbauart des Kühlers ab und ergibt sich im vorliegenden Falle zu 1,5. Für den hier untersuchten Ventilatorkühler wird demnach A&=

-

^ = c • (0 2 - Tj)1-3 = 1,5

y w

(&2 -

zju.

Nun liegen im Rückkühlbetrieb die Verhältnisse so, daß der Wert A&, also kurz die Kühlzonenbreite, im wesentlichen durch das Verhältnis des umlaufenden Wassergewichtes W kg/h zu dem in den Kondensator eintretenden Dampfgewicht D kg/h bedingt ist, wie aus folgendem erhellt. Bedeuten: 0,® C t?o0 C i kcal/kg tc° C W kg/h D kg/h so

die Kühlwassertemperatur/Eintritt Kondensator, die Kühlwassertemperatur/Austritt Kondensator, den Wärmeinhalt des in den Kondensator eintretenden Dampfes, die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Kondensates, das stündlich umlaufende Wassergewicht, das stündlich in dem Kondensator eintretende Dampfgewicht,

ist

W-(0a

— 0.) = D-(i

— tt),

wenn man den Wärmeaustausch vernachlässigt, der zwischen dem Kondensator und seiner Umgebung stattfindet. Im Kreislauf der Rückkühlanlage kann man mit hinreichender Genauigkeit annehmen, daß die Temperatur •&„ des aus dem Kondensator austretenden Wassers gleich der Temperatur des in den Kühler eintretenden Wassers ist. Die Temper a t u r &e des in den Kondensator eintretenden Kühlwassers ist gleich der Temperatur des Mischwassers &m (s. S. 6 dieser Arbeit) und ergibt sich aus W-&m

= W

Da sowohl Wo als auch — sehr klein ist, ist das Produkt W0 — #0) vernachlässigbar klein gegenüber W • < so daß man mit hinreichender Genauigkeit = setzen kann. Damit wird D(i-tc)

= W

Der in der Klammer stehende Wert (/ — tc) kann als annähernd konstant betrachtet werden, woraus sich ergibt, daß die Kühlzonenbreite tatsächlich in der H a u p t sache durch das Verhältnis des Wassergewichts W zum Dampfgewicht D bestimmt ist. Es ist demnach A & = (/ -

Q •

= 1,5 • J L (&, w

\ IV

oder

bzw.

=

+

1

—

=

+

rj«

33 Hieraus ergibt sich die Temperatur des aus dem Kühler ablaufenden Wassers zu 01

=

0

2

- j 0

=

-f-j/±L£._

Tl

A&.

Damit ist aber — und das ist für die Beurteilung der gesamten Anlage das Wesentliche — die Höhenlage der Kühlzone, die allein die Güte des Kühlwerks in kühltechnischer Hinsicht bestimmt, gegeben. Auf diese Bedeutung der Höhenlage der Kühlzone wird noch im Schlußabschnitt dieser Arbeit näher eingegangen werden. Zunächst soll jetzt geprüft werden, ob die bisher bekannt gewordenen Versuche an anderen Ventilatorkühlern ähnlichen Gesetzen wie dem oben abgeleiteten folgen und ob insbesondere als allgemeines Gesetz geschrieben werden darf A&

bzw.

=

c(&2 —

t1)1*

Diese Untersuchung bildet den Gegenstand des nachfolgenden

Abschnittes.

c) Versuche von Merkel 1 ). Von allen mir bekannten Versuchen an künstlich belüfteten Kühlwerken sind nur die ausgezeichneten (bereits in Abschnitt 1 dieser Arbeit angeführten) Versuche von Dr.-Ing. Merkel so umfangreich, daß sie sich zu einer Prüfung in dem unter b) erwähnten Sinne eignen.. Merkel hat fast durchweg bei ein und demselben umlaufenden Wassergewicht W = 180 kg/h oder — auf 1 m 2 des Kühlerquerschnittes F bezogen — w = 3060 kg/m2h gearbeitet und nach Möglichkeit auch den Zustand der Frischluft unverändert gelassen. Variiert hat er einmal die Temperatur des dem Kühler zufließenden warmen Wassers, zweitens das den Einbau durchströmende Luftgewicht L kg/h bzw. /kg/m 2 h und drittens die Einbauhöhe h bzw. die Rieselfläche Fr. Der von ihm untersuchte Kühler bestand aus einem Rohr aus verzinktem Eisenblech von 0,25 m Durchmesser. Als Rieseleinbau dienten Raschigringe aus Eisenblech von rund 15 mm Höhe und Durchmesser, deren Zahl durch die jeweils gewünschte Einbauhöhe h bzw. Rieselfläche Fr bestimmt war. Die Messungsergebnisse der bei w = 3060 kg/m2h durchgeführten Versuche enthalten die Zahlentafeln 3—8 der Merkeischen Forschungsarbeit, aus denen ich hier die Daten herausgezogen und in den Zahlentafeln 18—23 dieser Arbeit zusammengestellt habe, die für eine Prüfung der Beziehung in Frage kommen.

A6 = * t — fil = C'(fit — r1Y*

In den Zahlentafeln 18—23 bedeuten — genau wie oben: $2 und die Wassertemperaturen an der Stelle des Wasserein- bzw. Austritts in den Kühler, und r x die trockene und die feuchte Frischlufttemperatur, A& die im Einbau erzielte Wasserabkühlung, L das den Kühler stdl. durchströmende Luftgewicht. Die Dimensionen der verzeichneten Werte sind gleichfalls, wie früher, in den einzelnen Zahlentafeln angegeben. M e r k e l , Forschungsarbeiten, Heft 275. W o l f f , Kühlwerke.

3

Z a h l e n t a f e l 18 (s. Merkeische Zahlentafel Nr. 3). Versuche von Merkel, f

,

Nr.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

r

= 0 m 2 W = 1 5 0 kg/h.

9,

9,

L

i =

2 +

-/1388 * IT

Dementsprechend wird für Z = 1000 = 30,6

2000 24,8

4000 20,4

6000 18,2

8000 kg/m 2 h 16,6° C

Diagramm 2 der Abb. 25 bringt die Abhängigkeit des Dampfverbrauches d f ü r 1 kWh von der Temperatur des in den Kondensator eintretenden Kühlwassers, die ja nach früherem mit hinreichender Genauigkeit gleich der Temperatur des aus dem Kühler ablaufenden Wassers gesetzt werden kann, zur Darstellung, wobei die darin enthaltenen Werte d = f (0X) zur Durchführung des Rechnungsbeispieles angenommen sind. Diagramm 3 stellt die Dampfkosten f ü r 1000 kWh in Funktion ') G e i b e l , Forschungsarbeiten, Heft 242.

41 des D a m p f v e r b r a u c h s pro k W h d a r u n d ist u n t e r A n n a h m e eines Preises von 2 M. f ü r 1 t D a m p f e n t s t a n d e n . D i a g r a m m 4 endlich e n t h ä l t die K u r v e der D a m p f k o s t e n kn f ü r 1000 k W h in A b h ä n g i g k e i t v o m R e i n l u f t g e w i c h t / k g / m 2 h , das d u r c h den K ü h l e r geschickt wird. Diese K u r v e e n t s t e h t d u r c h p u n k t w e i s e Ü b e r t r a g u n g der K u r v e des D i a g r a m m s 1 in d a s D i a g r a m m 4 (wie a n g e d e u t e t auf d e m Wege a—b— c—d—e). Küh/wasserfemperafur

A b b . 25.

E r m i t t l u n g des w i r t s c h a f t l i c h s t e n L u f t g e w i c h t e s f ü r T, = 12 'C J !> = 10 "C.

Die K o s t e n der W a s s e r f ö r d e r u n g k „ errechnen sich f o l g e n d e r m a ß e n : Zu einem b e s t i m m t e n , den K ü h l e r d u r c h s t r ö m e n d e n R e i n l u f t g e w i c h t Z g e h ö r t eine b e s t i m m t e Kühlwasserablauftemperatur C (s. D i a g r a m m 1 der Abb. 25), die ihrerseits wieder einen b e s t i m m t e n D a m p f v e r b r a u c h d f ü r 1 k W h b e d i n g t . Wird durchweg mit 5 5 f a c h e r K ü h l w a s s e r m e n g e g e a r b e i t e t , so ergeben sich die f ü r 1000 k W h erforderlichen K ü h l w a s s e r g e w i c h t e zu W'

= 55 • d

•

1000 (in kg) bzw. = 55 • d

•

(in m 3 ).

Ist also Z =

1000

2000

4000

6000

8000 k g / m 2 h

so wird und

d = 6,3

5,93

5,75

5,66

5,61 k g / k W h

W' = 346

326

316

311

308 m 3 / 1 0 0 0 k W h .

42 Angenommen, die Förderung von 1 m 3 Wasser kostet 0,2 Pf., so betragen die insgesamt für 1000 kWh aufzuwendenden Wasserförderungskosten kw in jedem Fall W • 0,2 M./1000 kWh. 100

k„Dann ist für l = 1000 k„ - 0,692

2000 0,652

4000 0,632

6000 0,622

8000 kg/m2h 0,616 M./1000 kWh.

Die Luftförderungskosten kL können wie folgt bestimmt werden. Für 1 kWh wird je nach dem den Kühlereinbau durchströmenden Reinluftgewicht, wie oben gezeigt, ein bestimmtes Dampfgewicht d gebraucht. Entsprechend werden für 1000 kWh insgesamt 1000 • d kg Dampf und damit W = 55000 • d kg Wasser benötigt. Da laut Annahme den Kühler stdl. nur W = 30000 kg Wasser durchströmen, so ergibt sich die für das Gewicht l in Frage kommende Betriebszeit (für 1000 kWh) durch Division zu

also wird für Z= & »C Np.H fO 20

tundri> V Ht.12 f» ' t

to 20

m

t 3

fm

Hn.15

0 1 t und/fr NM6

—i

*

*t fm Nrt8 -Jk-

0 1 turtd nfr °C fO 20,

fm

W o i f f , Kühlwerke.

fm

4 t fm

4

50

A n l a g e 4. K u r v e n t a f e l 3 : Verlauf der Luft- und Wasserteniperaturen im E i n b a u bei w = 6510 kg/m 2 h und / = 3440 tund'ift °C Vr.22

Nr.21

fO

•

z

Vr.26

o

•y -

20

Vr.27

Nr.28 IM

20 0

1

Vm

fm

"T >tm

51 A n l a g e 5. Kurventafel 4 : &—t und x"—x = /(/i) bei w = 6510 kg/m 2 h und / = 9040 „ °C Nr. 1 20

-t

10

°c NrZ

°C

20

20

-1

10

10

•Im

0 g/Kg

1^m m

0

0

%

to

40

x-x

20.

20

x"m 0

°C

1

2

V

x"-

¿0

i.i» u 10 r— 0 V . j ~t/n

°C Nr. 5

°c

20

20

0

3

4m

0

°C Nr. 7

°C

20

20

3

4m

4 x"-

X

"C

1

Xfn 2

20

x"-x

J

3

4m

0

7

2

4m

t -

-r-

V t7 Im

0 f/ty 40

X 20,

•X/rt "-n

•

\x. r"" X/r 1 2 3

Nr. 9

10 o

r

0

X'-jc

20

*

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40

20

1 im

- ——,

0 °C

Nr8

-tn,-

h—

20.

1 2

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%0 M

A

Xm'

— f — 1 2

10

Nr. 6

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—

20


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0 3/Kg 40

40

x"-

20 (

10

%

-

40

L

Nr 4

t f2i

J

i

4 m

Nr 3

7 3

4m

0

1 2

r 3

4m

NrlO

20 •J

10 %

-tn,

0

40 20 0

1 2

Jfe'-Jl ml T 3 4m

_-

4*

52

A n l a g e 5. Kurventafel 5 :

t und x"—x

= f(h)

bei w = 6510 kg/m 2 h und / = 6060

53

A n l a g e 5. Kurventafel 6 :

# — t und x " — x = f ( h ) bei iv = 6510 kg/m 2 h und / = 3440

°C MO

°G M2

Nn21

20

20

-t

t

10

n

¿„t

20

-X - X

jci

m

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10

n

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u

0

20

Xm 2

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10 ZZjfl'

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10

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t

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0 1 °C Nr.28 20

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20.