DE102008051368B4 - Kühlsystem - Google Patents

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Abstract

Kühlsystem zur Übertragung eines Wärmestromes von einer Wärmequelle (Q) an eine durch einen Luftstrom (L) gebildete Wärmesenke (S), mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (1) und einer Adiabatik- oder Verdunstungsstufe (2), wobei der geschlossene Kühlmittelkreislauf (1) einen mit der Wärmequelle (Q) in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme in den Kühlmittelkreislauf (1) eintragenden ersten Wärmetauscher (3) und einen mit der Wärmesenke (S) in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf (1) ausschleusenden zweiten Wärmetauscher (5) sowie diese Komponenten miteinander verbindende Kühlmittelleitungen (7a, 7b, 7c, 7d) umfasst und die Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe (2) mindestens einen Verdunstungswasser in den die Wärmesenke bildenden Luftstrom (L) eintragenden Luftbefeuchter (8) aufweist, der aus einer Verdunstungswasserquelle (9) über eine Verdunstungswasserleitung (11a, 11b, 11c, 11d) mit Verdunstungswasser speisbar ist, wobei in der den zweiten Wärmetauscher (5) des Kühlmittelkreislaufs (1) verlassenden Kühlmittelleitung (7c) ein Kühlmittelkühler (13) angeordnet ist, dessen zweiter Strang in die Verdunstungswasserleitung (11b, 11c) geschaltet ist, wobei das den Kühlmittelkühler (13) durchströmende Verdunstungswasser unter gleichzeitiger Kühlung des den zweiten Wärmetauscher (5) des Kühlmittelkreislaufs (1) verlassenden Kühlmittels erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftbefeuchter (8) einen Vernebler umfasst, der Verdunstungswasser stromaufwärts des der Wärmeabfuhr an den Luftstrom (L) dienenden zweiten Wärmetauschers (5) in den Luftstrom eindüst, wobei weiterhin die Verdunstungswasserquelle (9) eine Verdunstungswasserstation (10) mit einem Verdunstungswasser-Vorratstank (14) und mindestens einem Warmwasserzwischenbehälter (17) umfasst, wobei ein von dem Verdunstungswasser-Vorratstank (14) in den Warmwasserzwischenbehälter (17) geleiteter Wasserstrom über den Kühlmittelkühler (13) leitbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf aufweisendes Kühlsystem zur Übertragung eines Wärmestromes von einer Wärmequelle an eine durch einen Luftstrom gebildete Wärmesenke, wobei der geschlossene Kühlmittelkreislauf einen mit der Wärmequelle in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme in den Kühlmittelkreislauf eintragenden ersten Wärmetauscher und einen mit der Wärmesenke in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausschleusenden zweiten Wärmetauscher sowie diese Komponenten miteinander verbindende Kühlmittelleitungen umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Einleitend angegebene Kühlsysteme werden in der Praxis verbreitet für diverse Kühlzwecke eingesetzt; sie sind auch aus der Literatur bekannt. Um die Kühlleistung an unterschiedliche Umgebungsbedingungen (insbesondere die Temperatur des die Wärmesenke bildenden Luftstromes) anpassen zu können, ist es bekannt, solche Kühlsysteme mit einer Adiabatik- oder Verdunstungsstufe auszustatten. Die Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe weist mindestens einen Verdunstungswasser in den die Wärmesenke bildenden Luftstrom eintragenden Luftbefeuchter auf, der aus einer Verdunstungswasserquelle über eine Verdunstungswasserleitung mit Verdunstungswasser speisbar ist. Durch Verdunstung des Verdunstungswassers wird dem Luftstrom Wärme entzogen, was zu einer Absenkung der Temperatur des Luftstromes führt.
  • Ein Kühlsystem der gattungsgemäßen Art ist aus der US 2,166,158 A bekannt. Dieses Kühlsystem weist einen Kühlturm auf, in welchem das Verdunstungswasser von oben gegen den Luftstrom auf den zweiten Wärmetauscher gesprüht wird. Das überschüssige, abtropfende Verdunstungswasser wird in der Tasse des Kühlturmes aufgefangen und dort bevorratet. Ersatz für das mit dem Luftstrom ausgetragene Wasser wird der Tasse des Kühlturmes zugeführt. Das mittels einer Pumpe aus der Kühlturmtasse abgezogene Verdunstungswasser kühlt zunächst das dem zweiten Wärmetauscher verlassende Kühlmittel, bevor es der Sprühdüse zugeführt wird. Dies berücksichtigt die Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad des Kühlsystems - namentlich dann, wenn der zweite Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs als Kondensator (Verflüssiger) ausgelegt ist - sich gegebenenfalls verbessern lässt, wenn in einem entsprechenden Wärmetauscher eine systeminterne Wärmeübertragung erfolgt von dem den zweiten Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs verlassenden Kühlmittel auf das die Verdunstungswasserleitung durchströmende Verdunstungswasser.
  • Ein weitgehend ähnliches Kühlsystem, welches allerdings ohne eine Unterkühlung des den zweiten Wärmetauscher verlassenden Kühlmittels durch das Verdunstungswasser arbeitet, ist aus der US 4,974,422 A bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Kühlsystem der gattungsgemäßen Art im Hinblick auf die Effizienz zu optimieren und zugleich die Flexibilität bei unterschiedlichen Anwendungen zu steigern.
  • Gelöst wird diese Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung durch das in Anspruch 1 angegebene Kühlsystem. Dieses zeichnet sich durch mehrere in Wechselwirkung miteinander stehende Charakteristika aus. So umfasst der Luftbefeuchter einen Vernebler, der Verdunstungswasser stromaufwärts des der Wärmeabfuhr an den Luftstrom dienenden zweiten Wärmetauschers in den Luftstrom eindüst. Die Verdunstungswasserquelle umfasst eine Verdunstungswasserstation mit einem Verdunstungswasser-Vorratstank, der besonders bevorzugt zwei Aufbereitungsbehälter aufweisen kann, die Teil eines Pendelenthärters sind, und mindestens einen Warmwasserzwischenbehälter. Ein von dem Verdunstungswasser-Vorratstank in den Warmwasserzwischenbehälter geleiteter Wasserstrom ist über den weiter oben beschriebenen, dem zweiten Wärmetauscher nachgeschalteten Kühlmittelkühler leitbar. Die Erfindung ermöglicht, später in den Luftbefeuchter einzuspeisendes Verdunstungswasser von dem Verdunstungswasser-Vorratstank über den Kühlmittelkühler in den Warmwasserzwischenbehälter, in dem es zwischengespeichert wird, zu leiten; die Wärme, die dem den zweiten Wärmetauscher des Kühlsystems verlassenden Kühlmittel entzogen wird, wird dabei in das Verdunstungswasser übertragen, allerdings nicht unmittelbar vor dessen Einspeisung in den Luftbefeuchter, sondern vielmehr hierzu zeitlich versetzt. Insoweit lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems auch in Betriebspunkten nutzen, in denen die Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe nicht in Betrieb oder die Einspeisung eines erwärmten Verdunstungswassers in den Luftbefeuchter unerwünscht ist. Hierdurch lässt sich die Flexibilität des erfindungsgemäßen Kühlsystems (z.B. im Hinblick auf den natürlichen Temperaturverlauf gemäß Tag-/Nachtzyklen) verbessern. Der Warmwasserzwischenbehälter kann dabei als Wärmespeicher für eine zeitlich versetzte Nutzung der dem Kühlmittel entzogenen Wärme dienen. Hierdurch lässt sich, wiederum bei zugleich verbesserter Flexibilität des Kühlsystems, die Effizienz eines das Kühlsystem umfassenden wärmetechnischen Systems bei Anwendungen, in denen parallel zur Kühlaufgabe ein Nutzwärmebedarf auf einem entsprechenden Temperaturniveau besteht, weiter steigern.
  • Ein erheblicher Gestaltungsspielraum, der abhängig von der konkreten Kühlaufgabe und den örtlichen Gegebenheiten unterschiedlich genutzt werden kann, besteht hinsichtlich der Art der wärmeübertragenden Verbindung des Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausschleusenden zweiten Wärmetauschers des Kühlkreislaufes mit der durch den Luftstrom gebildeten Wärmesenke. So kann der zweite Wärmetauscher die Wärme direkt an die Wärmesenke, d.h. den Luftstrom abgeben. Gemäß einer insoweit bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet indessen der geschlossene Kühlmittelkreislauf einen Primärkreislauf, wobei die wärmeübertragende Verbindung des zweiten Wärmetauschers des Primärkreislaufes mit der Wärmesenke durch einen Sekundärkreislauf gebildet ist, wobei der mindestens eine dem Luftstrom ausgesetzte Wärmetauscher insbesondere Teil des Sekundärkreislaufs sein kann.
  • Im Sinne der weiter oben bereits angesprochenen Konzeption zeichnet sich eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, dass der geschlossene Kühlmittelkreislauf als 2-Phasen-Kreislauf ausgeführt ist, indem der erste Wärmetauscher als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher als Verflüssiger ausgeführt sind, wobei das in dem zweiten Wärmetauscher kondensierte Kühlmittel in dem Kühlmittelkühler eine Unterkühlung erfährt. Besonders bevorzugt ist dabei in dem kühlmittelkreislauf stromaufwärts des Verflüssigers ein Enthitzer vorgesehen, der wärmetechnisch mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt ist. Hierdurch lässt sich die Effizienz eines das Kühlsystem umfassenden wärmetechnischen Systems bei Anwendungen, in denen parallel zur Kühlaufgabe ein Nutzwärmebedarf auf einem entsprechenden Temperaturniveau besteht, weiter steigern. In diesem Sinne kann die Nutzwärmesenke beispielsweise in einem Brauchwassererwärmer bestehen, d.h. die in dem Enthitzer aus dem Kühlmittelkreislauf ausgekoppelte Wärme zur Erwärmung von Brauchwasser herangezogen werden.
  • Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Verdunstungswasserstrang zwischen dem Kühlmittelkühler und dem Luftbefeuchter ein Verdunstungswasserkühler vorgesehen ist, über den das Verdunstungswasser vor dem Eintrag in den Luftstrom bei Bedarf kühlbar ist. Der Verdunstungswasserkühler kann, je nach den örtlichen Gegebenheiten, beispielsweise mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt sein oder wärmetechnisch mit einem Kältespeicher in Verbindung stehen, der seinerseits von einer Kältemaschine kühlbar ist. Auch diese besonderen Merkmale sind geeignet, die Flexibilität des erfindungsgemäßen Kühlsystems zu verbessern bzw. bei Anwendungen, in denen parallel zur Kühlaufgabe ein Nutzwärmebedarf auf einem entsprechenden Temperaturniveau besteht, die Effizienz eines das Kühlsystem umfassenden wärmetechnischen Systems weiter steigern.
  • Soweit vorstehend die verschiedenen Optionen und Möglichkeiten der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems dargelegt wurden, so ist für den Fachmann erkennbar, dass insoweit das Kühlsystem zweckmäßigerweise über diverse steuerbare Ventile verfügt, die mittels einer entsprechenden Prozesssteuerung betätigbar sind, um die einzelnen Komponenten zu- bzw. abzuschalten.
  • Nur der Vollständigkeit halber ist darauf hinzuweisen, dass sich die vorliegende Erfindung für diverse unterschiedliche Kühlmittel eignet, wie beispielsweise für übliche Kältemittel im engeren Sinne, für Ammoniak, und dergleichen. Dementsprechend kann auch der in dem Kühlkreislauf ablaufende Kälteprozess sehr verschieden ausgeführt sein und dementsprechend auch die Komponenten des Kühlkreislaufs (z.B. Art der Wärmetauscher, Verdichter bzw. Pumpe, Drossel und dergl.).
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Wert gelegt wird auf die Feststellung, dass hiermit keinerlei Beschränkung der Erfindung auf das veranschaulichte Ausführungsbeispiel verbunden ist, sondern vielmehr im Rahmen der durch die geltenden Ansprüche umschriebenen Erfindung im Sinne der vorstehend dargelegten Betrachtungen zu derselben sowie fachmännischer Überlegungen diverse Vereinfachungen, Verfeinerungen und/oder Abwandlungen möglich und ggfs. sogar zweckmäßig sind.
  • Das in der Zeichnung abgebildete Kühlsystem dient der Übertragung eines Wärmestromes von einer Wärmequelle Q an eine durch einen Luftstrom L gebildete Wärmesenke S. Es weist einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf 1 und eine Adiabatik- oder Verdunstungsstufe 2 auf. Der geschlossene Kühlmittelkreislauf 1 ist als 2-Phasen-Kreislauf ausgeführt. Er umfasst in als solches bekannter Weise im wesentlichen vier Komponenten, nämlich einen mit der Wärmequelle Q in wärmeübertragender Verbindung stehenden ersten Wärmetauscher 3, der als Verdampfer ausgeführt ist und Wärme in den Kühlmittelkreislauf 1 einträgt, einen Verdichter 4, einen mit der Wärmesenke S in wärmeübertragender Verbindung stehenden zweiten Wärmetauscher 5, der als Kondensator mit zwei parallel geschalteten Wärmeüberträgern ausgeführt ist und Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausschleust, und eine Drossel 6. Alle diese Komponenten sind in üblicher Weise über Kühlmittelleitungen 7 (7a bis 7d) miteinander verbunden.
  • Die Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe 2 weist zwei Verdunstungswasser in den die Wärmesenke S bildenden Luftstrom L eintragende Luftbefeuchter 8 auf, die vorliegend durch Besprühen der Oberfläche des zweiten Wärmetauschers 5 diesen mit Verdunstungswasser benetzen. Die Luftbefeuchter 8 sind aus einer Verdunstungswasserquelle 9, welche eine Verdunstungswasserstation 10 umfasst, über eine Verdunstungswasserleitung 11 mit Verdunstungswasser speisbar. Hierzu ist in der Verdunstungswasserleitung 11 (11a bis 11d) eine steuerbare Förderpumpe 12 angeordnet.
  • Weiterhin ist in der den zweiten Wärmetauscher 5 des Kühlmittelkreislaufs 1 verlassenden Kühlmittelleitung 7c ein als Plattenwärmetauscher ausgeführter Kühlmittelkühler 13 angeordnet. Der zweite Strang des Kühlmittelkühlers 13 ist in die Verdunstungswasserleitung 11, d.h. zwischen deren Abschnitte 11b und 11c, geschaltet. Das Kühlsystem und insbesondere die relevanten Temperaturen sind dabei dergestalt ausgelegt, dass das den zweiten Wärmetauscher 5 des Kühlmittelkreislaufs 1 verlassenden Kühlmittel Wärme an das den Kühlmittelkühler 13 durchströmende Verdunstungswasser abgibt.
  • Die Verdunstungswasserstation 10 umfasst einen Verdunstungswasser-Vorratstank 14 mit zwei Aufbereitungsbehältern 15. Diese sind Teil eines Pendelenthärters, zu welchem Zweck sie wechselweise über die gesteuerten Ventile 16 an die Verdunstungswasserleitung 11a anschließbar sind.
  • Weiterhin umfasst die Verdunstungswasserstation 10 einen Warmwasserzwischenbehälter 17, der ebenfalls über ein gesteuertes Ventil 18 stromaufwärts der Förderpumpe 12 an die Verdunstungswasserleitung 11a anschließbar ist. Auf diese Weise kann das den Luftbefeuchtern 8 zugeführte Verdunstungswasser entsprechend bedarfsabhängig gesteuert wahlweise aus den Aufbereitungsbehältern 15 und/oder dem Warmwasserzwischenbehälter 17 entnommen werden.
  • Bedarfsabhängig ist es möglich, dass ein kleinerer oder größerer Teil des den Kühlmittelkühler 13 durchströmenden Verdunstungswassers statt dem Luftbefeuchtern 8 zugeführt zu werden in den Warmwasserzwischenbehälter 17 eingespeist wird. Für eine entsprechende bedarfsabhängige Steuerung ist in der Verdunstungswasserleitung 11, d.h. zwischen deren Abschnitte 11c und 11d, eine steuerbares Ventil 19 vorgesehen; ein weiteres steuerbares Ventil 20 ist in der Zweigleitung 21 angeordnet, welche den Abschnitt 11c der Verdunstungswasserleitung mit dem Warmwasserzwischenbehälter 17 verbindet. Durch entsprechende Ansteuerung der Ventile 19 und 20 ist es möglich, einen von dem Verdunstungswasser-Vorratstank 14 in den Warmwasserzwischenbehälter 17 geleiteten Wasserstrom über den Kühlmittelkühler 13 zu leiten.
  • Als zusätzliche Maßnahme im Hinblick auf eine erhöhte Effizienz bei gleichzeitig gesteigerter Flexibilität des Kühlsystems ist in dem Kühlmittelkreislauf 1 stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 5 ein Enthitzer 22 vorgesehen, der im Falle eines entsprechenden Nutzwärmebedarfs wärmetechnisch mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt sein kann. Unter dem gleichen Blickwinkel ist in dem Verdunstungswasserstrang zwischen dem Kühlmittelkühler 13 und dem Luftbefeuchter 8, d.h. in den Abschnitt 11d der Verdunstungswasserleitung ein Verdunstungswasserkühler 23 vorgesehen, über den das Verdunstungswasser vor dem Eintrag in den Luftstrom L rückkühlbar ist. Der Verdunstungswasserkühler 23 kann dabei, je nach den örtlichen Umständen, insbesondere wärmetechnisch mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt sein oder aber wärmetechnisch mit einem Kältespeicher in Verbindung stehen, der seinerseits von einer Kältemaschine kühlbar ist.

Claims (10)

  1. Kühlsystem zur Übertragung eines Wärmestromes von einer Wärmequelle (Q) an eine durch einen Luftstrom (L) gebildete Wärmesenke (S), mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (1) und einer Adiabatik- oder Verdunstungsstufe (2), wobei der geschlossene Kühlmittelkreislauf (1) einen mit der Wärmequelle (Q) in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme in den Kühlmittelkreislauf (1) eintragenden ersten Wärmetauscher (3) und einen mit der Wärmesenke (S) in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf (1) ausschleusenden zweiten Wärmetauscher (5) sowie diese Komponenten miteinander verbindende Kühlmittelleitungen (7a, 7b, 7c, 7d) umfasst und die Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe (2) mindestens einen Verdunstungswasser in den die Wärmesenke bildenden Luftstrom (L) eintragenden Luftbefeuchter (8) aufweist, der aus einer Verdunstungswasserquelle (9) über eine Verdunstungswasserleitung (11a, 11b, 11c, 11d) mit Verdunstungswasser speisbar ist, wobei in der den zweiten Wärmetauscher (5) des Kühlmittelkreislaufs (1) verlassenden Kühlmittelleitung (7c) ein Kühlmittelkühler (13) angeordnet ist, dessen zweiter Strang in die Verdunstungswasserleitung (11b, 11c) geschaltet ist, wobei das den Kühlmittelkühler (13) durchströmende Verdunstungswasser unter gleichzeitiger Kühlung des den zweiten Wärmetauscher (5) des Kühlmittelkreislaufs (1) verlassenden Kühlmittels erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftbefeuchter (8) einen Vernebler umfasst, der Verdunstungswasser stromaufwärts des der Wärmeabfuhr an den Luftstrom (L) dienenden zweiten Wärmetauschers (5) in den Luftstrom eindüst, wobei weiterhin die Verdunstungswasserquelle (9) eine Verdunstungswasserstation (10) mit einem Verdunstungswasser-Vorratstank (14) und mindestens einem Warmwasserzwischenbehälter (17) umfasst, wobei ein von dem Verdunstungswasser-Vorratstank (14) in den Warmwasserzwischenbehälter (17) geleiteter Wasserstrom über den Kühlmittelkühler (13) leitbar ist.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftbefeuchter (8) einen die Oberfläche des der Wärmeabfuhr an den Luftstrom (L) dienenden zweiten Wärmetauschers (5) mit Verdunstungswasser befeuchtenden Benetzer umfasst.
  3. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kühlmittelkreislauf (1) einen Primärkreislauf bildet, wobei die wärmeübertragende Verbindung des zweiten Wärmetauschers (5) des Primärkreislaufes mit der Wärmesenke (S) durch einen Sekundärkreislauf gebildet ist.
  4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kühlmittelkreislauf (1) als 2-Phasen-Kreislauf ausgeführt ist, indem der erste Wärmetauscher (3) als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher (5) als Verflüssiger ausgeführt sind, wobei das Kühlmittel in dem Kühlmittelkühler (13) eine Unterkühlung erfährt.
  5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf (1) stromaufwärts des Verflüssigers (5) ein Enthitzer (22) vorgesehen ist, der wärmetechnisch mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt ist.
  6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzwärmesenke in einem Brauchwassererwärmer besteht.
  7. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungswasser-Vorratstank (14) zwei Aufbereitungsbehälter (15) aufweist, die Teil eines Pendelenthärters sind.
  8. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdunstungswasserstrang (11c, 11d) zwischen dem Kühlmittelkühler (13) und dem Luftbefeuchter (8) ein Verdunstungswasserkühler (23) vorgesehen ist, über den das Verdunstungswasser vor dem Eintrag in den Luftstrom (L) kühlbar ist.
  9. Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungswasserkühler (23) wärmetechnisch mit einer Nutzwärmesenke gekoppelt ist.
  10. Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungswasserkühler (23) wärmetechnisch mit einem Kältespeicher in Verbindung steht, der seinerseits von einer Kältemaschine kühlbar ist.
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