DE102010021967A1

DE102010021967A1 - Vorrichtung zur Kühlung in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Verdampfen eines unter hohem Druck gespeicherten, verflüssigten Gases

Info

Publication number: DE102010021967A1
Application number: DE102010021967A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Gries
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-12-09
Also published as: CH701190A2; CH701190B1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung von Maschinen und/oder Klimatisierung von Gebäuden, mit einer Vorrichtung zum Verdampfen eines unter hohem Druck gespeicherten, verflüssigten Gases, wird die Vorrichtung zum Verdampfen des Gases wärmeleitend mit der zu kühlenden Vorrichtung verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Verdampfen eines unter hohem Druck gespeicherten, verflüssigten Gases.
In vielen produzierenden Betrieben muss einerseits von Werkzeugmaschinen Wärme abgeführt werden; dies erfolgt in der Regel an die Umgebung. Gleichzeitig wird zur Gebäudeklimatisierung ein Kühlmedium mittels einer zentralen Kompressionskälteanlage heruntergekühlt. Das Kühlmedium wird über isolierte Rohrleitungen an dezentrale Kühlregister geführt und kühlt dort mittels Luftwärmetauscher und Gebläse die Raumluft. Andererseits wird bei der Verdampfung von unter hohem Druck gespeicherten, verflüssigten Gasen, die als Betriebsgase benötigt werden, Wärme benötigt, die in der Regel der Umgebung entzogen wird. Dies hat zur Folge, dass der Umgebung sowohl Wärme entzogen, als auch zugeführt wird, wobei in beiden Fällen entsprechende Aufwände (Kühler, Verdampfer) notwendig sind. Es entsteht in beiden Fällen ein Exergieverlust.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufwände zu reduzieren und einen optimierten Wärmefluss mit verringertem Wärmeaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen. Wird eine Kompressionskältemaschine wie bisher verwendet, so soll diese zumindest entlastet werden. Im Idealfall soll sie entfallen können.
Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zum Verdampfen des Gases wärmeleitend mit der zu kühlenden Vorrichtung verbunden wird, so dass der jeweilige Wärmeaustausch mit der Umgebung zumindest vermindert wird. Die Vorrichtung unterstützt beziehungsweise ersetzt den Betrieb der konventionellen Kältemaschine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
So kann die Wärme von der zu kühlenden Vorrichtung auf die Vorrichtung zum Verdampfen über Sole oder Luft übertragen wird. Die Vorrichtung zum Verdampfen des Gases kann über ein Expansionsventil zum Aggregatswechsel und einen Wärmeaustauscher zur Aufnahme der Verdampfungswärme verfügen. Das Expansionsventil und der Wärmeaustauscher können von Sole oder zu kühlender Luft durchströmt werden, um die benötigte Wärme aufzunehmen.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Variante, welche ohne größere Änderungen in den Verfahrensablauf und Vorrichtungsaufbau integriert werden kann,
2 der Wärmetauscheraufbau aus 1 im Detail,
3 eine andere erfindungsgemäße Variante, welche einen besonders hohen Wärmeaustausch ermöglicht sowie
4 eine dritte Variante, die ebenfalls einen hohen Wärmeaustausch ermöglicht.
1 zeigt einen Flüssiggastank 1, in dem Flüssiggas 2, z. B. flüssiger Stickstoff, gelagert ist. Flüssiger Stickstoff siedet bei –196°C (77 K). Am Kopf des Flüssiggastanks 1 ist ein Expansionsventil 3 angeordnet, dem sich eine Gasleitung 6, welche zu einem luftumschlossenen Wärmetauscher 8 führt, anschließt. Der luftumschlossene Wärmetauscher 8 umfasst, wie auch aus 2 ersichtlich), eine Vielzahl parallel durchströmte gasführende Wärmetauscherrohre 11, die von Luft umgeben sind. Gemäß dem Stand der Technik wird der Umgebung in diesem Wärmetauscher 8 Wärme entzogen und auf den Gasstrom, der durch die Expansion sehr stark abgekühlt ist, übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind zwischen diesen gasführenden Wärmetauscherrohren 11 soleführende Wärmetauscherrohre 12 eines Solekreislaufs 15 angeordnet, die ebenfalls von Luft umgeben sind. Optional können Wärmeleitbleche 13 die gasführenden Wärmetauscherrohre 11 und soleführenden Wärmetauscherrohre 12 miteinander wärmeleitend verbinden. Der Solekreislauf 15, der ein Kühlmedium mit niedrigem Gefrierpunkt beinhaltet, verfügt über eine Soleleitung 7, in der eine Soleumwälzpumpe 9 angeordnet ist und ist an einen Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher 10 angeschlossen. Abhängig von der Leistungsgröße des Flüssiggasverdampfers sowie der erforderlichen Kühlleistung kommen Glykol-Wassergemische mit einem Gefrierpunkt von bis zu –55° Celsius zum Einsatz. Die Sekundärseite des Flüssig-Flüssig-Wärmetauschers 10 ist mit einem Kühlkreislauf 14 verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Abwärme einer Klimaanlage und/oder von Werkzeugmaschinen handeln. Gemäß dem Stand der Technik wird Wärme von einem derartigen Kühlkreislauf 14 über einen nicht dargestellten Kühler, gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Kompressors, an die Umgebung abgegeben.
Der luftumschlossene Wärmetauscher 8 ist ein Platten-Luftwärmetauscher (Rekuperator), dessen Oberflächen in relativer Nähe der Verdampferoberfläche installiert sind. Der Abstand der Oberflächen ist leistungsabhängig einzustellen. Bei dieser Methode ist kein Eingriff in die Flüssiggasanlage notwendig.
3 unterscheidet sich von der zuvor gezeigten Variante dadurch, dass die gasführenden Wärmetauscherrohre 11 in einem reinen Luftwärmetauscher 16, also ohne wärmeabgebende, soleführenden Wärmetauscherrohre 12, angeordnet sind. Die Gasleitung 6 wird in einem koaxialen Wärmetauscher 5 von Sole umschlossen. Als koaxialer Wärmetauscher 5 im Sinne dieser Erfindung ist jeder Wärmetauscher anzusehen, bei dem die Strömungswege des Gases und des Solekreislaufs 15 nur durch eine Wärmetauscherwand getrennt sind.
4 zeigt eine Variante, bei der die gasführenden Wärmetauscherrohre 11 in einem umschließenden Wärmeaustauscher 4 von Sole des Solekreislaufs 15 umströmt wird.
Beim Betrieb einer Vorrichtung gemäß den 1 und 2 strömt in dem Flüssiggastank 1 gelagertes Flüssiggas 2 durch das Expansionsventil 3 und expandiert hierbei. Die Expansion hat einen starken Volumenanstieg beziehungsweise Dichteabfall und eine massive Abkühlung zur Folge. Damit es nicht wieder zu einer Verflüssigung des Flüssiggases kommt, muss das nun gasförmige Medium der Umgebung Wärme entziehen. Dies geschieht im luftumschlossenen Wärmetauscher 8, der mit seinen gasführenden Wärmetauscherrohren 11 eine große Oberfläche aufweist.
Abwärme einer Klimaanlage und/oder von Werkzeugmaschinen werden in dem Kühlkreislauf 14 zu dem Flüssig-Flüssig-Wärmetauschers 10 geleitet und dort auf den Solekreislauf 15 übertragen. Der Solekreislauf 15 gibt wiederum Wärme im luftumschlossenen Wärmetauscher 8 über die soleführende Wärmetauscherrohre 12 ab. Wärme aus dem Solekreislauf 15 wird einerseits über die Umgebungsluft und andererseits über die optionalen Wärmeleitbleche 13 auf das expandierte Flüssiggas übertragen.
Ein luftumschlossener Wärmetauscher 8 ohne Wärmeleitbleche 13 kann einfach nachgerüstet werden, da der Wärmeübergang vom expandierten Gas über die Umgebungsluft auf den Solekreislauf 15 eine verhältnismäßige geringe Wärmeleitung zur Folge hat. Demgegenüber ist bei der Verwendung von Wärmeleitbleche 13 der Wärmeübergang deutlich höher, so dass der Wärmetauscher 8 deutlich kompakter ausfallen kann.
Beim Betrieb der Vorrichtung gemäß 3 erfolgt bereits unmittelbar hinter dem Expansionsventil 3 ein massiver Wärmeübergang in dem koaxialen Wärmetauscher 5. Der reine Luftwärmetauscher 16 könnte prinzipiell entfallen, ist jedoch für den Fall erforderlich, wenn keine oder wenig Abwärme des Kühlkreislaufs 14 zur Verfügung steht und somit die notwendige Wärme nicht oder nur teilweise im koaxialen Wärmetauscher 5 übertragen werden kann.
Der Wärmeübergang ist beim umschließenden Wärmeaustauscher 4 gemäß 4 noch massiver, da die Übertragungsfläche sehr groß ist. Im Gegensatz zu den anderen Varianten kann diese Vorrichtung nur dann betrieben werden, wenn der Kühlkreislauf 14 ausreichend Wärme abgibt.
Demgegenüber können die anderen Vorrichtungen auch dann betrieben werden, wenn Wärme zum Ausgleich der Expansionsabkühlung benötigt wird.
Auch Kombinationen dargestellter Elemente sind erfindungsgemäß geschützt.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung von Maschinen und/oder Klimatisierung von Gebäuden, mit einer Vorrichtung zum Verdampfen eines unter hohem Druck gespeicherten, verflüssigten Gases, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Verdampfen des Gases wärmeleitend mit der zu kühlenden Vorrichtung verbunden ist.
Vorrichtung zur Kühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme von der zu kühlenden Vorrichtung auf die Vorrichtung zum Verdampfen über Sole und/oder Luft übertragen wird.
Vorrichtung zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Verdampfen des Gases über ein Expansionsventil (3) und/oder mindestens einen Wärmeaustauscher (4, 5, 8, 16) verfügt.
Vorrichtung zur Kühlung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (3) und/oder mindestens ein Wärmeaustauscher (4, 5, 8, 16) von Sole und/oder zu kühlender Luft durchströmt wird.