DE102010044896A1

DE102010044896A1 - Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen

Info

Publication number: DE102010044896A1
Application number: DE102010044896A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Erwärmtes Kühlwasser, das in Kraftwerken oder industriellen Prozessen in grosser Menge entsteht, wird in der Regel in Kühltürmen rückgekühlt. Bei den industriellen Kühlwasseranlagen befinden sich meistens die Kühlwasserverbraucher über mehrere Stockwerke und die Kühltürme auf dem Dach des Betriebsgebäudes. Da die Wasserpumpen und die Wasserspeicherbehälter in der Regel in den unteren Stockwerken gebaut sind, gibt es so genannten Fallleitungen zwischen den Kühltürmen und dem Wasserspeicherbehälter, in welchen das rückgekühlte Wasser in freiem Fall runterfließt. Die kinetische Energie dieses runterfließenden Wassers wird nicht benutzt. Bei dem Einbau eines Stromerzeuges in der Fallleitung wird durch den erzeugten Strom eine elektrische Kühlvorrichtung angetrieben und über sie das Wasser rückgekühlt. Oder in der Fallleitung wird eine mechanisch angetriebene Kühlvorrichtung angebaut. Bei der Konstruktion mit einem Stromerzeuger entsteht die Möglichkeit, wenn die Kühlvorrichtung auf Energiesparmodus umgeschaltet wird, den überflüssig erzeugten Strom in ein elektrisches Netzwerk zu führen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Anlagen, die für die Bereitstellung des Kühlwassers für die Prozesskühlung erforderlich sind.
Erwärmtes Kühlwasser, das in Kraftwerken oder industriellen Prozessen in grosser Menge entsteht, wird in der Regel in Kühltürmen rückgekühlt. Bei den industriellen Kühlwasseranlagen erstrecken sich meistens die Kühlwasserverbraucher über mehrere Stockwerke und die Kühltürme auf dem Dach des Betriebsgebäudes. Da die Wasserpumpen und die Wasserspeicherbehälter sich in der Regel in den unteren Stockwerken befinden, gibt es so genannten Fallleitungen, zwischen den Kühltürmen und dem Wasserspeicherbehälter, in welchen das gekühlte Wasser in freiem Fall runterfließt. Bei den Kraftwerken wird das erwärmte Kühlwasser in der Regel in den Kühltürmen in Turmform abgekühlt. Diese Kühltürme sind aus dem Grund der besseren Verdunstung des Wassers mit grosser Höhe konstruiert. Die Sprühleitungen sind normaleweise in oberem Bereich des Kühlturmes angebaut, was die Möglichkeit des Anbaues der Fallleitungen ermöglicht.
Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen muss herbei besonders auf den Verbrauch von Kühlwasser, Energie und den Schutz der Anlage geachtet werden. Vor allem das Kühlwasser selbst kann hier Probleme bereiten. Eine bedingte Verdampfung des Kühlwassers verursacht eine Verdickung von Salzen und Mineralien z. B. in Form von Schlammbildung im Kühlwasserkreis. Dazu dringen durch die Kühltürme aus der Luft herausgewaschene Verunreinigungen in die Kühlkreisläufe ein, die sich im Wasser wie Kalk ablagern können. Ablagerungen und Ausfällungen führen zu einem schlechten Wärmeübergang und können sogar Verstopfungen der Kühlkanäle und der Armaturen bewirken. Diese Probleme werden durch die Absalzung, Abschlammung und Verwendung von verschiedenen Chemikalien gelöst, was grosse Energie- und -Wasserverluste mit sich bringt.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, das Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen zu schaffen, welche die Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers ermöglichen.
Dies wird auf vorteilhafte Weise erreicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht die Möglichkeit die kinetische Energie des Wassers in den Fallleitungen zu gewinnen und für die Wasserkühlung zu verwenden. Dadurch sind erhebliche Energie- und Wasserersparnisse zu erwarten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren beschrieben.
In der 4 wird beispielhaft die schematische Darstellung einer Kühlwasseranlage mit dem Stromerzeuger (2) und mit der Kühlvorrichtung (4a) dargestellt.
Das Kühlwasser wird durch die Wasserpumpe (9) aus dem Wasserspeicherbehälter (8) zu den Kühlwasserverbraucher geleitet. Dann wird das erwärmte Wasser durch die Kühlvorrichtung (4a) und anschliessend über die Vorlaufleitung (10) in die Fallleitung (12) geführt. Wenn das Wasser in der Kühlvorrichtung (4a) nicht genug gekühlt wird, leitet die Umstellvorrichtung (11) das Wasser teilweise in die Sprühleitung (22). In der Fallleitung (12) ist ein Antriebsmechanismus (3) angebaut, der einen Stromerzeuger (2) antreibt. Über den dadurch erzeugten Strom wird die Kühlvorrichtung (4a) angetrieben. Für besondere Fälle (Wartungsarbeiten am Stromerzeuger, Defekt usw.) sind die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19) und die Bypassleitung (13) vorgesehen. Der gesamte Prozess wird von der elektronischen Steuerungseinheit (1) überwacht. Im Winter, bei niedriegeren Temperaturen, muss das erwärme Wasser über die Umstellvorrichtung (11) teilweise in die Sprühleitung (22) geleitet werden, damit das Wasser im Kühlturm nicht einfriert. Dabei müssen die gesteuerte Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24) geschloßen werden. Oder der Kühlturm wird über die gesteuerte Umstellvorrichtung (23) entleert.
In der 2 wird beispielhaft die schematische Darstellung einer Kühlwasseranlage mit der mechanisch angetriebenen Kühlvorrichtung (4b) dargestellt.
Der Prozess verläuft genau so wie in 1 beschrieben wurde, nur mit dem Unterschied, dass der in der Fallleitung (12) angebaute Antriebsmechanismus (3) direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreibt.
In der 3 wird beispielhaft die schematische Darstellung einer Kühlwasseranlage mit der mechanisch angetriebenen Kühlvorrichtung (4b) dargestellt. Bei diese Konstruktion wird das Wasser über die Kühlleitungen (20) im Wasserbereich des Wasserspeicherbehälters gekühlt.
Der Prozess verläuft genau so wie in 1 beschrieben wurde, nur mit den Unterschieden, dass der in der Fallleitung (12) angebaute Antriebsmechanismus (3) direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreibt und das Wasser über die Kühlleitungen (20) im Wasserbereich des Wasserspeicherbehälters (8) gekühlt wird.
In der 4 wird beispielhaft die schematische Darstellung einer Kühlwasseranlage mit dem Stromerzeuger (2) und mit der Kühlvorrichtung (4a) dargestellt.
Das Kühlwasser wird durch die Wasserpumpe (9) aus dem Wasserbecken des Kühlturms (5b) zu den Kühlwaserverbraucher geleitet. Dann wird das erwärmte Wasser durch die Kühlvorrichtung (4a) und anschliessend über die Vorlaufleitung (10) in die Fallleitungen (12) geführt. Die Fallleitungen (12) sind zusätzlich mit Kühlrippen (21) vorgesehen. in den Fallleitungen (12) sind die Antriebsmechamisme (3) eingebaut, die den Stromerzeuger (2) antreiben. über den dadurch erzeugten Strom wird die Kühlvorrichtung (4a) angetrieben. Für besondere Fälle (Wartungsarbeiten am Stromerzeuger, Defekt usw.) sind die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtungen (19) und die Bypassleitungen (13) vorgesehen. Wenn das Wasser in der Kühlvorrichtung (4a) nicht genug gekühlt wird, leitet die Umstellvorrichtung (11) das Wasser teilweise in die Sprühleitung (22). Der gesamte Prozess wird von der elektronischen Steuerungseinheit (1) überwacht.
In der 5 werden beispielhaft die schematischen Darstellungen der Kühlwasseranlagen mit den mechanisch angetriebenen Kühlvorrichtungen (4b) dargestellt.

a) Bei dieser Konstruktion sind die Fallleitungen (12) mit Kühlrippen (21) und die Antriebsmechanisme (3), die direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreiben, innerhalb des Kühlturmes (5b) vorgesehen.
b) Sei dieser Konstruktion sind die Fallleitungen (12) mit Kühlrippen (21) und die Antriebsmechanismen (3), die direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreiben, ausserhalb des Kühlturmes (5b) vorgesehen.

Diese Konstruktion kann auch bei den Kühlwasseranlagen, die in den 4 und 6 dargestellt sind, angewendet werden.
Der Prozess verläuft genau so wie in 4 beschrieben wurde, nur mit dem Unterschied, dass die in den Fallleitungen (12) angebaute Antriebsmechanismen (3) direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreiben.
In der 6 wird beispielhaft die schematische Darstellung einer Kühlwasseranlage mit der mechanisch angetriebenen Kühlvorrichtung (4b) dargestellt. Bei diese Konstruktion wird das Wasser über die Kühlleitungen (20) im Wasserbecken des Kühlturmes gekühlt.
Der Prozess verläuft genau so wie in 4 beschrieben wurde, nur mit den Unterschieden, dass die in den Fallleitungen (12) angebaute Antriebsmechanismen (3) direkt die Kühlvorrichtung (4b) antreiben und das Wasser über die Kühlleitungen (20) im Wasserbecken des Kühlturmes gekühlt wird.
In 7 wird schematisch ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit in der Steuervorrichtung für die Kühlwasseranlagen, die in den 1 und 4 dargestellt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie in 7 dargestellt wird, nimmt die elektronische Steuerungseinheit (1) die von den Temperatursensoren (16, 17, 18 und 25) ausgegebene Signale zum Detektieren der Betriebszustände der Kühlwasseranlage auf. Ferner wird der Betrieb durch diese elektronische Steuerungseinheit (1) ausgeführt und die daraus resultierenden Ergebnisse werden als Steuerungssignale an folgende Einrichtungen ausgegeben:
Bei dem Betrieb 1 (das Wasser wird ausreichend in der Kühlvorrichtung (4a) gekühlt):

– an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom zur Kühlvorrichtung (4a) zu leiten;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.

Bei dem Betrieb 2 (das Wasser wird nicht ausreichend in der Kühlvorrichtung (4a) gekühlt):

– an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu aktivieren;
– an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom zur Kühvorrichtung (4a) zu leiten;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.

Bei dem Betrieb 3 (das Wasser wird ausreichend in der Kühlvorrichtung (4a) gekühlt und die Kühlvorrichtung wird auf Energiesparmodus umgeschaltet):

– an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom zur Kühlanlage (4a) zu leiten und den überflüssig erzeugten Strom in ein elektrisches Netzwerk zu leiten;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.

Bei dem Betrieb 4 (die Kühlvorrichtung (4a) ist ausser Betrieb):

– an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu deaktivieren;
– an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom in ein elektrisches Netzwerk zu leiten;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.

Bei dem Betrieb 5 (der Stromerzeuger (2) ist ausser Betrieb):

a) das Wasser wird ausreichend in der Kühlvorrichtung gekühlt: – an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren; – an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom aus einem elektrischen Netzwerk zur Kühlvorrichtung (4a) zu leiten; – an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie auf Bypass (13) zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/; – an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.
b) das Wasser wird nicht ausreichend in der Kühlvorrichtung gekühlt: – an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu aktivieren; – an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren; – an die gesteuerte Stromumleitungsvorrichtung (14), um den Strom aus einem elektrischen Netzwerk zur Kühlvorrichtung (4a) zu leiten; – an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie auf Bypass (13) zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/; – an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.
c) die Kühlvorrichtung (4a) ist ausser Betrieb: – an die Kühlvorrichtung (4a), um sie zu deaktivieren; – an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren; – an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie auf Bypass (13) zu aktivieren; – an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 1/; – an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 1/.

In 8 wird schematisch ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit in der Steuervorrichtung für die Kühlwasseranlagen, die in den 2, 3, 5a, 5b und 6 dargestellt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie in 8 dargestellt wird, nimmt die elektronische Steuerungseinheit (1) die von den Temperatursensoren (16, 17, 18 und 25) ausgegebene Signale zum Detektieren der Betriebszustände der Kühlwasseranlage auf. Ferner wird der Betrieb durch diese elektronische Steuerungseinheit (1) ausgeführt und die daraus resultierenden Ergebnisse werden als Steuerungssignale an folgende Einrichtungen ausgegeben:
Bei dem Betrieb 1 (das Wasser wird ausreichend in der Kühlvorrichtung (4b) oder im Wasserbereich der Kühltürme (5b) oder des Wasserspeicherbehälter (8) gekühlt):

– an die Kühlvorrichtung (4b), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 2 und 3/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 2 und 3/.

Bei dem Betrieb 2 (das Wasser wird nicht ausreichend in der Kühlvorrichtung (4a) oder im Wasserbereich der Kühltürme (5b) oder des Wasserspeicherbehälter (8) gekühlt):

– an die Kühlvorrichtung (4b), um sie zu aktivieren;
– an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 2 und 3/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 2 und 3/.

Bei dem Betrieb 3 (das Wasser wird zu kalt):

– an die Kühlvorrichtung (4b), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktiveren;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie zu aktivieren. Dabei wird das warme Wasser über die Leitung (13) beigemischt und durch die Wasserstromverdrosselung in der Fallleitung (12) die Leistung der Kühlvorrichtung (4b) verringert;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 2 und 3/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 2 und 3/.

Bei dem Betrieb 4 (die Kühlvorrichtung (4b) ist ausser Betrieb):

– an die Kühlvorrichtung (4b), um sie zu deaktivieren;
– an den Kühlturmventilator (6), um den zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (11), um sie zu aktivieren;
– an die gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung (19), um sie auf Bypass (13) zu aktivieren;
– an die gesteuerte Umstellvorrichtung (23)/nur für die 2 und 3/;
– an die gesteuerten Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen (24)/nur für die 2 und 3/.

Bezugszeichenliste

1: elektronische Steuerungseinheit;
2: Stromerzeuger;
3: Antriebsmechanismus (als ein Beispiel ein Schaufelrad);
4a: Kühlvorrichtung mit Elektroantrieb;
4b: Kühlvorrichtung mit mechanischem Antrieb;
5a: Zellenkühlturm;
5b: Kühlturm in Turmform;
6: Kühlturmventilator;
7: Wasserfüllstand im Wasserbecken des Kühlturms;
7a: Wasserfüllstand im Wasserspeicherbehälter;
8: Wasserspeicherbehälter;
9: Wasserpumpe;
10: Vorlaufleitung;
11: gesteuerte Umstellvorrichtung;
12: Rücklaufleitung (Fallleitung);
13: Bypassleitung;
14: Stromumleitungsvorrichtung;
15: Elektroleitung;
16: Temperatursensor an der Vorlaufleitung (10);
17: Temperatursensor nach der Kühlanlage;
18: Temperatursensor am Speicherbehälter (8);
19: gesteuerte Wasserumleitungsvorrichtung;
20: Kühlleitung;
21: Kühlrippen;
22: Sprühleitung;
23: gesteuerte Umstellvorrichtung;
24: gesteuerte Schließvorrichtungen der Luftansaugöffnungen;
25: Außentemperatursensor;
E: ein elektrisches Netzwerk.

Claims

Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fallleitung (12) der Antriebsmechanismus (3), der die kinetische Energie des runterfließenden Wassers in den Drehmoment umwandelt, vor dem Wasserspeicherbehälter (8) oder innerhalb (bzw. ausserhalb) des Kühlturmes (5b), in dennen sich der Wasserstrom entspannt, vorgesehen ist.
Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (3) den Stromerzeuger (2) antreibt und der dadurch erzeugte Strom zu der Kühlvorrichtung mit Elektroantrieb (4a), über die das Wasser rückgekühlt wird, geleitet wird.
Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (3) die Kühlvorrichtung (4b) antreibt und über diese Kühlvorrichtung das Wasser rückgekühlt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (3) die Kühlvorrichtung (4b) antreibt und über die Kühlleitungen (20) im Wasserbereich der Kühltürme (5b) oder des Wasserspeicherbehälters (8) das Wasser rückgekühlt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtungen zur Gewinnung der kinetischen Energie des in freiem Fall oder unter Druck runterfließenden Wassers in den Fallleitungen der Kühlwasseranlagen nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall wenn die Kühlvorrichtung mit Elektroantrieb (4a) auf Energiesparmodus betrieben oder ausser Betrieb genommen wird, der überflüssig erzeugte Strom durch die Stromumleitungsvorrichtung (14) in ein elektrisches Netzwerk geleitet wird.