DE102011050956B4 - Kühleinrichtung - Google Patents

Abstract

Kühleinrichtung mit a) einem Kühlkreislaufsystem, das von einem Kühlmittel (K), insbesondere Kühlwasser, durchströmt wird, b) wenigstens einem von dem Kühlmittel (K) durchströmten oder durchströmbaren Rückkühler (6), der in einem zeitweise einfriergefährdeten Bereich (A) angeordnet ist und aus dem in einem Frostschutzbetrieb das Kühlmittel (K) entleerbar ist, c) wenigstens einem mit dem Rückkühler (6) hydraulisch verbundenen oder verbindbaren Kühlmittelbehälter (1) mit einem Retentionsvolumen (52) zur Aufnahme von Kühlmittel (K) aus dem Rückkühler (6) beim Entleeren des Rückkühlers (6) im Frostschutzbetrieb, d) wenigstens einem mittels des Kühlmittels (K) zu kühlenden Verbraucher (4), der mit dem Kühlmittelbehälter (1) hydraulisch verbunden ist und mit dem Rückkühler (6) hydraulisch verbunden oder verbindbar ist, e) ferner mit einer Umschalteinrichtung (16) zum Umschalten des Kühlkreislaufes zwischen einem großen Kühlkreislauf mit dem wenigstens einen Rückkühler (6) und einem kleinen Kühlkreislauf ohne den wenigstens einen Rückkühler (6) in dem Frostschutzbetrieb, wobei im großen Kühlkreislauf das Kühlmittel (K) den Rückkühler (6), den Kühlmittelbehälter (1) und den Verbraucher (4) zyklisch durchströmt und wobei im kleinen Kühlkreislauf das Kühlmittel (K) den Kühlmittelbehälter (1) und den Verbraucher (4) zyklisch durchströmt, nicht jedoch den Rückkühler (6), f) wobei der kleine Kühlkreislauf mit Kühlmittelbehälter (1) und Verbraucher (4) in einem einfriersicheren Bereich (I) angeordnet ist, g) wobei wenigstens ein Teilbereich des kleinen Kühlkreislaufes, insbesondere der Verbraucher (4) und ggf. Teile von Zu- und Ableitungen (7, 42) des Verbrauchers (4), geodätisch höher angeordnet ist als der Kühlmittelbehälter (1), so dass ein entsprechender geodätischer Druck (pH) auf das Kühlmittel (K) im Kühlmittelbehälter (1) wirkt, h) und schließlich mit einer Inertgasvorlage (13) in dem Kühlmittelbehälter (1) zum Aufbau eines Ausgleichsdruckes (pG) in dem Kühlmittelbehälter (1) zum Ausgleich des geodätischen Druckes (pH) derart, dass sich im Kühlmittelbehälter (1) neben einem mit Kühlmittel (K) gefüllten Kühlmittelfüllbereich (12) ein mit Inertgas (G) gefüllter Gasfüllbereich (52) befindet, der wenigstens teilweise das Retentionsvolumen bereitstellt, i) wobei der Gasfüllbereich (52) des Kühlmittelbehälters (1) über zumindest eine Ausgleichsleitung (14), in der wenigstens ein Ausgleichsventil (35) vorgesehen ist, zum Gasausgleich mit einem Anschluss (6C) des Rückkühlers (6) verbunden ist ...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung.
• Aus der DE 42 34 874 C2 ist eine Kühlvorrichtung mit außenluftbewirktem Wärmeentzug aus einem Wasserkreislauf bekannt, bei der der Wasserkreislauf in einem frostsicheren Gebäude einen Pufferbehälter, eine Pumpe und einen Wärmetauscher passiert und an der frostgefährdeten Außenluft eine mit einem Gebläse versehenen Rückkühler passiert und bei der das Wasser als Kühlmittel nach der Wasserpumpe den Wärmetauscher passiert, von dem Wärmetauscher zu dem Rückkühler gelangt und von dem Rückkühler zu dem Pufferbehälter gelangt. Der Wasserkreislauf ist mit einem geschlossenen Pufferbehälter und mit einem ein Rohrbündel aufweisenden Rückkühler durchgehend geschlossen ausgebildet und die Einlaufseite des Rückkühlers ist über ein schaltbares Belüftungsventil mit der Oberseite des Pufferbehälters verbunden. Die Auslaufseite des Rohrbündel-Rückkühlers ist über eine Gabelung sowohl an den oberen Teil als auch an den unteren Teil des Pufferbehälters angeschlossen und der obere Gabelungs-Anschluss ist mit der von dem Belüftungsventil herkommenden Verbindung zusammengefasst. Dies verbessert und erleichtert die Trennung von Wasser und Luft bei den zwischen Pufferbehälter und Rückkühler stattfindenden Austauschvorgängen. Es wird somit im Wasserkreislauf vorhandene Luft verlagert und zwar beim Stillsetzen aus dem Pufferbehälter in das Rohrbündel und bei Inbetriebnahme von Rohrbündel in den Pufferbehälter. Der Pufferbehälter dient somit auch als Ausdehnungsbehälter.
• Der Ausgang des Wärmetauschers ist mit dem Eingang der Pumpe entweder über ein Umschaltventil und eine Bypassleitung und/oder über ein schaltbares Ausgleichsventil, das gleichzeitig mit dem Belüftungsventil verbindbar ist, verbunden. Auf diese Weise lässt sich die Temperatur des durch den Wärmetauscher laufenden Wassers bei der bekannten Kühlvorrichtung einfach und mit wenig Aufwand unter Berücksichtung eines Minimalwertes einregeln. Aufgrund des Ausgleichsventils verlagert sich für einen Stillstand der Kühlvorrichtung das Wasser noch schneller in den Pufferbehälter. Der Pufferbehälter ist mit vier übereinander angeordneten Wasserstandsmessern für einen Nachspeise-Wasserstand, einen Betriebs-Wasserstand, einen Füll-Wasserstand und einen Überfüllungs-Wasserstand versehen. Da der Wasserkreislauf bei DE 42 34 874 C2 durchgehend, d. h. über seine gesamte Länge, geschlossen ist, kann kein Wasser verdunsten. Wenn die Kühlvorrichtung stillgesetzt wird, weil sie der Kälte der Außenluft wegen nicht gebraucht wird, so lässt man den Rückkühler durch Öffnen des Belüftungsventils in den Pufferbehälter leerlaufen, so dass im Rückkühler kein Wasser gefrieren kann. Das Belüftungsventil wird wieder geschlossen, wenn der Wasserkreislauf wieder in Gang gesetzt werden soll. Aufgrund des Belüftungsventils lässt sich der Wasserkreislauf, ohne Frostschutzmittel gegen Einfrieren des Rückkühlers gesichert, völlig geschlossen vorsehen.
• Mit dieser aus DE 42 34 874 C2 bekannten Kühlvorrichtung ist es insbesondere möglich, in einem generell frostsicheren Gebäude befindliche zu kühlende Verbraucher unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers zwischen Verbraucher- und Kühlkreis und unter Ausnutzung der Kühlleistung eines in einem Außenbereich befindlichen Außenluft-Rückkühlers während einer frostfreien Phase zu kühlen. Bei Außentemperaturen, die sich unterhalb der benötigten Prozesswassertemperatur befindet, kann der Freikühlbetrieb mit dem Rückkühler gefahren werden. Der Rückkühler ermöglicht im Betrieb bei ausreichend niedrigen Außentemperaturen der Außenluft eine deutliche Energieeinsparung für das Kühlungssystem. Bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser, z. B. bis –30°C, wird bei Frostgefahr und bei gleichzeitig geringer erforderlicher Kühlleistung der Verbraucher auf den internen Kreislauf umgeschaltet. Der oder die Rückkühler im Frostbereich werden nun automatisch in den frostfreien Pufferbehälter entleert. Bei steigenden Prozesstemperaturen wird ab einer definierten Wassertemperatur wieder der Wasserkreislauf über den Rückkühler geleitet. Eine Steuerung schaltet im Wechsel zwischen dem großen Kreislauf über die Rückkühler auf den kleinen Kreislauf nur über den Pufferbehälter und umgekehrt um. So wird bei zu tiefen Außentemperaturen und geringer Kühlleistung der Verbraucher ein Einfrieren des Kühlwassers vermieden.
• Für den frostsicheren Betrieb ist es notwendig, dass nicht nur der Rückkühler, sondern auch die Zuleitungen und Ableitungen, die noch im Frostbereich liegen können oder in denen das Kühlwasser gefrieren kann, vollständig vom Kühlwasser geleert werden. Hier stellt sich allerdings aufgrund des Prinzips der kommunizierenden Röhren das Problem, dass sich im Gleichgewichtszustand aufgrund des hydrostatischen oder geodätischen Drucks der Wassersäulen ein einheitlicher Flüssigkeitsspiegel im gesamten Kreislauf einstellt und deshalb die weiteren Leitungen und Komponenten des Kreislaufes nicht oberhalb einer Höhe angeordnet sein dürfen, ab der die Gefahr eines Gefrierens des Kühlwassers beim Rückkühler und dessen Zu- und Ableitungen besteht. Deshalb wird bei einem System wie in DE 42 34 874 C2 beschrieben, der Wärmetauscher unterhalb des Pufferbehälters angeordnet, damit die oberhalb des Pufferbehälters befindlichen Leitungen, die zum Rückkühler oder von diesem weg führen, vollständig entleert werden können.
• In konkret vor Ort vorgesehenen Kühlanlagen ist es allerdings nicht immer möglich, eine solche Anordnung von Wärmetauscher oder Verbraucher unterhalb des Pufferbehälters einerseits und von Rückkühler und dessen Zu- und Ableitungen oberhalb des Pufferbehälters einzuhalten. Deshalb muss in diesen Fällen dem Kühlwasser ausreichend Frostschutzmittel zugesetzt werden, was allerdings die Kühlleistung und den Kühlwirkungsgrad reduziert.
• Die DE 43 15 864 A1 offenbart eine Anordnung zum Wärmeaustausch, die mindestens einen oberhalb des Erdbodens vorgesehenen, von einem frostgefährdeten flüssigen Wärmeträger durchströmten Wärmeübertrager, einen durch Überführungsleiter mit dem Wärmeübertrager verbundenen, durch eine Wärmequelle oder durch eine Wärmesenke gebildeten Wärmeaustauschbereich, eine den Wärmeträger im Kreislauf fördernde Umwälzpumpe und mindestens einen an die Inertgasquelle angeschlossenen Aufnahmebehälter für den Wärmeträger aufweist, der geodätisch unterhalb des Wärmeübertragers angeordnet und durch eine bodenseitig in den Aufnahmebehälter mündende Stichleitung mit darin eingegliedertem Absperrorgan an eine Überführungleitung anschließbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Aufnahmebehälter gegen Einfrieren gesichert in die den Wärmeübertrager mit dem Wärmeaustauschbereich verbindende Überführungsleitung eingegliedert ist. Ein Ablaufstrang der Überführungsleitung zwischen dem Wärmeübertrager und dem Aufnahmebehälter mündet bodenseitig im Aufnahmebehälter und kommuniziert mit dem oberen Teil des Inertgasraums im Aufnahmebehälter über eine Öffnung. Die mit Gefälle in Richtung zum Aufnahmebehälter frostsicher verlegte Stichleitung ist vor einem in einen Zulaufstrang einer Überführungsleitung zum Wärmeübertrager eingegliederten Absperrorgan an den Zulaufstrang angeschlossen. Ein von dem Wärmeträger nach dem Verlassen des Wärmeübertragers durchströmter Gasabscheider ist mit dem Inertgasraum des Aufnahmebehälters verbunden.
• Die DE 44 40 036 A1 als Zusatzanmeldung bildet diese DE 43 15 864 A1 derart weiter, dass der Ausgleichsbehälter in Strömungsrichtung des Wärmeträgers unmittelbar nach dem Wärmeaustauschbereich vor der Umwälzpumpe im Bereich der höchsten Temperatur und des niedrigsten Drucks angeordnet ist und dass zwischen dem oberen Teil des als Kühler ausgebildeten Wärmeübertragers und dem Ausgleichsbehälter eine Gaspendelleitung vorgesehen ist und über eine durch ein Befüll- und Entleerungsventil, einen thermischen Entlüfter oder ein Absperrventil gebildete Armatur an den Kühler angeschlossen ist und dass in die Leitung zwischen der Umwälzpumpe und dem unteren Teil des Kühlers eine Umschaltarmatur eingegliedert und über einen Umgang an die Leitung zwischen dem oberen Teil des Kühlers und dem Wärmeaustauschbereich angeschlossen ist.
• Aus der DE 2 263 325 A1 ist eine indirekte Kondensationsanlage bekannt mit einem Dämpfe- vorzugsweise Abdampf – kondensierenden wassergekühlten Oberflächenkondensator, dessen Kühlwasser in geschlossenem Kreislauf geführt ist, in den mindestens eine Umwälzpumpe eingeschaltet ist, welche das Kühlwasser nachgeschalteten luftgekühlten Kühlelementen zuführt, die über Anschlussleitungen an die Hauptzufluss- bzw. Hauptabflussleitung des Kühlwasserkreislaufes angeschlossen sind, wobei die geodätisch höchstgelegenen Stellen der Kühlelemente mit einer Schutzgasleitung in Verbindung stehen, die unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck höheren Druck eines Schutzgases, vorzugsweise Stickstoff, steht und zu einem Wasserbehälter rührt, der geodätisch unterhalb der Kühlelemente angeordnet ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass dem Wasserbehälter, der ständig unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck wesentlich höheren Druck des Schutzgases steht, ein gleichfalls ständig unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck wesentlich höheren Druck des Schutzgases stehender Druckbehälter zugeordnet ist, welcher ebenfalls geodätisch unterhalb der Kühlelemente angeordnet ist, wobei der Druckbehälter wahlweise an den geschlossenen Kühlwasserkreislauf und/oder an die Schutzgasleitung anschließbar ist, während der Wasserbehälter an den geschlossenen Kühlwasserkreislauf und die Schutzgasleitung anschließbar ist, welche im Bereich der geodätisch höchstgelegenen Stelle der Kühlelemente mit diesen zu verbinden oder von diesen druckdicht zu trennen ist.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, bei der die Komponenten des Kühlkreislaufes hinsichtlich ihrer geodätischen Höhe zumindest weitgehend unabhängig voneinander angeordnet werden können.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Die Kühleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 umfasst ein Kühlkreislaufsystem, mit einem zirkulierenden (oder: umgewälzten) Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser. Es ist wenigstens ein von dem Kühlmittel durchströmter oder durchströmbarer Rückkühler vorgesehen, der in einem zeitweise einfriergefährdeten Bereich angeordnet ist und aus dem bei Einfriergefahr (oder: Frostschutzsituation) oder in einem Frostschutzbetrieb das Kühlmittel entleerbar ist. Weiter ist wenigstens ein mit dem Rückkühler hydraulisch verbundener Kühlmittelbehälter mit einem Retentionsvolumen zur Aufnahme von Kühlmittel aus dem Rückkühler beim Entleeren des Rückkühlers im Frostschutzbetrieb vorgesehen. Wenigstens ein mittels des Kühlmittels zu kühlender Verbraucher ist mit dem Kühlmittelbehälter und mit dem Rückkühler hydraulisch verbunden oder verbindbar. Ferner ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen zum Umschalten zwischen einem großen Kühlkreislauf mit dem wenigstens einen Rückkühler und einem kleinen Kühlkreislauf ohne den wenigstens einen Rückkühler im Frostschutzbetrieb. Das Kühlmittel durchströmt im großen Kühlkreislauf den Rückkühler, den Kühlmittelbehälter und den Verbraucher zyklisch und im kleinen Kühlkreislauf den Kühlmittelbehälter und den Verbraucher zyklisch durchströmt, nicht jedoch den Rückkühler. Der kleine Kühlkreislauf mit Kühlmittelbehälter und Verbraucher ist in einem einfriersicheren Bereich angeordnet. Ferner ist gemäß Patentanspruch 1 wenigstens ein Teilbereich des kleinen Kühlkreislaufes, insbesondere der Verbraucher und ggf. Teile von Zu- und Ableitungen des Verbrauchers, geodätisch höher angeordnet ist als der Kühlmittelbehälter, so dass ein entsprechender geodätischer Druck auf das Kühlmittel im Kühlmittelbehälter wirkt. Gemäß der Erfindung wird nun eine Inertgasvorlage (oder: Inertgasbefüllung) in dem Kühlmittelbehälter vorgesehen zum Aufbau eines Ausgleichsdruckes in dem Kühlmittelbehälter zum Ausgleich des geodätischen Druckes derart, dass sich im Kühlmittelbehälter außer einem mit Kühlmittel gefüllten Kühlmittelfüllbereich auch ein mit Inertgas gefüllter Gasfüllbereich befindet, der wenigstens teilweise das Retentionsvolumen bereitstellt.
• Durch diese Maßnahmen gemäß der Erfindung kann der Verbraucher örtlich unabhängig vom Kühlmittelbehälter, insbesondere auch geodätisch höher als der Kühlmittelbehälter, angeordnet werden und das Retentionsvolumen für das im Frostschutzbetrieb entleerte Kühlmittel steht dennoch zur Verfügung. Mit der Inertgasvorlage kann also insbesondere erreicht werden, dass in dem Kühlkreislauf die Verbraucher beliebig angeordnet sein können, d. h. in im Wesentlichen beliebigen geodätischen Lagen bzw. Höhen relativ zum Kühlmittelbehälter liegen können, insbesondere geodätisch oberhalb des Kühlmittelbehälters.
• Es ist somit, im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik, nicht mehr erforderlich, dass sämtliche Verbraucher geodätisch unterhalb des Kühlmittelbehälters angeordnet sind. Geodätisch oberhalb des Kühlmittelbehältnisses angeordnete Verbraucher würden dazu führen, dass sich das Kühlmittelbehältnis mit Kühlmittel füllt, so dass im Wesentlichen kein Retentionsvolumen mehr bereitstehen würde. Ein Retentionsvolumen ist bei einem Außenluft-Rückkühler jedoch erforderlich zur Aufnahme zumindest des Kühlmittels im Außenluft-Rückkühler und Rohrleitungen, die sich im Außenbereich befinden, wenn dieser beispielsweise in einer Frostperiode geleert wird. Ferner ist ein gewisses Retentionsvolumen u. a. erforderlich für temperaturschwankungsbedingte Volumenänderungen des Kühlmittels. In diesem Sinne übernimmt der zumindest eine Kühlmittelbehälter auch die Funktion als Ausgleichs- und Ausdehnungsgefäß.
• Weiterhin ist gemäß Patentanspruch 1 ein Auslass des Rückkühlers über eine Abführleitung zum Abführen von Kühlmittel vom Rückkühler mit dem Kühlmittelbehälter verbunden und der Kühlmittelbehälter, nämlich dessen Gasfüllbereich, über zumindest eine Ausgleichsleitung, in der wenigstens ein Ausgleichsventil vorgesehen ist, zum Gasausgleich mit dem Rückkühler verbunden. Mit einer solchen Ausgleichsleitung kann der Außenluft-Rückkühler mit dem zumindest einen Kühlmittelbehälter derart verbunden werden, dass bei einer Leerung des Außenluft-Rückkühlers das Inertgas der Inertgasvorlage, zumindest jedoch ein Teil davon, in den Außenluft-Rückkühler strömt. Durch das Inertgas können die Kühlelemente des Außenluft-Rückkühlers und ggf. Abschnitte von Zu- und Ableitungen zum bzw. vom Außenluft-Rückkühler insbesondere gegen Korrosion geschützt werden. Umgekehrt kann bei einer Füllung des Außenluft-Rückkühlers mit Kühlmittel, das darin befindliche Inertgas wieder in das Kühlmittelbehältnis überführt werden, und dort, zumindest als Inertgasvorlage verwendet werden.
• Schließlich ist noch gemäß Patentanspruch 1 eine Kontrolleinrichtung, vorzugsweise eine frei programmierbare Steuerung, vorgesehen, ausgebildet und eingerichtet insbesondere zur zumindest teilweisen Steuerung und/oder Regelung des Betriebs der Kühleinrichtung, wobei die Kontrolleinrichtung mit der Umschalteinrichtung sowie dem Ausgleichsventil verbunden ist. Die Kontrolleinrichtung steuert zum Entleeren des Rückkühlers im Frostschutzbetrieb die Umschalteinrichtung und das Ausgleichsventil derart an, dass mittels der Umschalteinrichtung der kleine Kreislauf eingestellt wird und dass das Ausgleichsventil in der Ausgleichsleitung geöffnet wird. Ferner startet die Kontrolleinrichtung den Frostschutzbetrieb und schaltet dabei mittels der Umschalteinrichtung vom großen Kreislauf in den kleinen Kreislauf und öffnet das Ausgleichsventil zum Entleeren des Rückkühlers. Die Kontrolleinrichtung beendet den Frostschutzbetrieb, schließt das Ausgleichsventil und schaltet mittels der Umschalteinrichtung kleinen Kreislauf in den großen Kreislauf, wenn die Kühlmittel-Vorlauftemperatur einen vorgegebenen Maximalwert, insbesondere aus einem Intervall von 25°C bis 40°C, überschreitet und/oder wenn sich das Kühlmittel in einem Anlaufbetrieb im kleinen Kreislauf ausreichend erwärmt hat, um den Rückkühler wieder entfrostet zu halten oder wieder dem Rückkühler zugeführt werden zu können.
• Mit der Inertgasvorlage kann der hydrostatische Druck im Einkreis-Kühlkreislauf insbesondere für den Fall, dass Verbraucher geodätisch oberhalb des Kühlmittelbehälters angeordnet sind, derart eingestellt werden, dass der Kühlmittelfüllstand im Kühlmittelbehälter bei normalem Betrieb der Kühleinrichtung in einem vorgegebenen, vorteilhaften Bereich liegt. Der jeweilige Volumenanteil der Inertgasvorlage kann u. a. in Abhängigkeit der jeweiligen geodätischen Lage des zumindest einen Verbrauchers so eingestellt werden, dass einerseits der Kühlmittelbehälter ein noch ausreichendes Retentionsvolumen aufweist, und andererseits ein ausreichendes Kühlmittelvolumen im Kühlmittelbehälter vorgehalten werden kann. Beispielsweise kann die Inertgasvorlage zwischen 30% bis 60% des Volumens, insbesondere etwa 50% des Volumens, des Kühlmittelbehälters einnehmen und/oder das Verhältnis zwischen Volumen des Kühlmittelfüllbereiches und dem Volumen des Gasfüllbereiches in dem Kühlmittelbehälter in einem Intervall zwischen 0,25 und 4, insbesondere zwischen 1/3 und 3, liegen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist als Inertgas der Inertgasvorlage Stickstoff vorgesehen. Die Inertgasvorlage ist vorzugsweise in den bereits mit Kühlmittel gefülltem Kühlkreislauf einmalig vor dem Betrieb des Kühlkreislaufes unter dem gewünschten Ausgleichsdruck in den Kühlmittelbehälter eingefüllt, derart, dass das gewünschte oder bestimmte Retentionsvolumen erreicht ist.
• Das Retentionsvolumen ist insbesondere bestimmt als oder entspricht der Differenz aus dem vom Kühlmittel im kleinen Kreislauf bei entleertem Rückkühler eingenommenen Volumen im Kühlmittelbehälters einerseits und dem vom Kühlmittel im großen Kreislauf eingenommenen Volumen im Kühlmittelbehälter andererseits.
• Dem Kühlmittelbehälter sind vorzugsweise einer oder mehrere Sensoren zum direkten oder indirekten Bestimmen des vom Kühlmittel eingenommenen Volumens im Kühlmittelbehälter zugeordnet. Insbesondere sind wenigstens ein, vorzugsweise mehrere, insbesondere vier, Füllstandssensoren zum Überwachen des Füllstandes des Kühlmittels im Kühlmittelbehälter vorgesehen, insbesondere ein oberster Füllstandssensor zur Überwachung einer Überfüllung, ein zweitoberster Füllstandssensor und ein drittoberster Füllstandsensor, zwischen denen der Füllstand sowohl im kleinen Kreislauf als auch im großen Kreislauf liegt und/oder zwischen denen ein Teilvolumen als Retentionsvolumen dient, und ein unterster Füllstandssensor zum Überwachen eines zum regulären Betrieb mindest erforderlichen Kühlmittelfüllstandes.
• Zusätzlich oder alternativ können auch Gewichtssensoren oder Wägezellen oder eine Wägeeinrichtung zum Ermitteln der im Kühlmittelbehälter befindlichen Kühlmittelmasse oder Behältergewichts als Maß für das Kühlmittelvolumen bei der bekannten spezifischen Dichte des Kühlmittels und/oder als Maß für den Ausgleichsdruck der Inertgasvorlage vorgesehen sein. Ist z. B. das Behältergewicht zu hoch, ist zu viel Kühlmittel im Behälter und der Ausgleichsdruck der Inertgasvorlage zu niedrig. Mit der Wägeeinrichtung können über die ermittelte Kühlmittelmasse ebenfalls insbesondere die genannten Füllhöhen überwacht werden. Jedoch ist es mit einer Wägeeinrichtung möglich, im Wesentlichen jeden beliebigen Füllstand zu erfassen bzw. zu überwachen. Das bedeutet, dass die jeweilige Ist-Füllhöhe, vergleichsweise genau ermittelt oder erfasst werden. Die jeweiligen Ist-Füllhöhen, die mittels der Füllstandssensoren und/oder der Wägeeinrichtung ermittelt werden, können mit jeweils erforderlichen Soll-Füllhöhen verglichen werden. Bei Abweichung von jeweiligen Soll-Füllhöhen können frühzeitig Maßnahmen zum Wiedereinstellen des Soll-Zustands ergriffen werden. Die Wägeeinrichtung bietet im Vergleich zu diskreten Sensoren den weiteren Vorteil, dass auch die Richtung und/oder Geschwindigkeit der Änderung der Füllhöhe überwacht werden kann. Mit solchen weiteren Informationen können Tendenzen und Entwicklungen im Kühlsystem, die, insbesondere zwangsläufig, zu einer Störung des Betriebs der Kühleinrichtung führen können, frühzeitig erkannt werden, und es können bereits frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen oder eingeleitet werden.
• Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels der zumindest eine Verbraucher dem zumindest einen Kühlmittelbehälter nachgeschaltet und/oder der Rückkühler dem zumindest einen Verbraucher nachgeschaltet und/oder ist wenigstens eine Kühlmittelpumpe in dem kleinen Kreislauf zum Fördern oder Umwälzen des Kühlmittels vorgesehen, insbesondere zumindest eine dem zumindest einen Kühlmittelbehälter nachgeschaltete Kühlmittelpumpe.
• Die Umschalteinrichtung ist insbesondere mit einem Eingang des Rückkühlers und mit einem Einlass des Kühlmittelbehälters und zumindest indirekt mit einem Auslass des Verbrauchers hydraulisch verbunden oder verbindbar und kann den Auslass des Verbrauchers entweder mit dem Eingang des Rückkühlers oder mit einem Einlass des Kühlmittelbehälters verbinden.
• Bevorzugt ist der Gasfüllbereich des Kühlmittelbehälters über die zumindest eine Ausgleichsleitung, in der das wenigstens eine Ausgleichsventil vorgesehen ist, zum Gasausgleich mit dem Rückkühler mit seiner geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle mit der geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Rückkühlers verbunden. Ferner ist eine Zuführleitung zum Rückkühler zum Zuführen von Kühlmittel mit einer Abführleitung zum Abführen von Kühlmittel vom Rückkühler über eine Ausgleichsleitung, in der ein Ausgleichsventil angeordnet ist, hydraulisch quer verbunden oder verbindbar (oder: kurzschließbar).
• In einer vorteilhaften Ausbildung ist wenigstens ein Kühlmitteltemperatursensor zum Messen der Kühlmitteltemperatur vorgesehen, vorzugsweise ein Kühlmitteltemperatursensor zum Messen der Kühlmittel-Vorlauftemperatur vor der Umschalteinrichtung und/oder ein Kühlmitteltemperatursensor zum Messen der Rückkühler-Vorlauftemperatur des Kühlmittels vor dem Rückkühler und/oder ein Kühlmitteltemperatursensor zum Messen der Rückkühler-Rücklauftemperatur des Kühlmittels nach dem Rückkühler.
• Die Kontrolleinrichtung ist bevorzugt mit dem oder den vorhandenen Sensoren und der Umschalteinrichtung sowie jedem Ausgleichsventil verbunden.
• Die Kontrolleinrichtung steuert insbesondere zum Entleeren des Rückkühlers im Frostschutzbetrieb die Umschalteinrichtung und jedes Ausgleichsventil derart an, dass mittels der Umschalteinrichtung der kleine Kreislauf eingestellt wird und dass das oder die Ausgleichsventile in der oder den Ausgleichsleitungen geöffnet werden.
• Ferner startet vorzugsweise die Kontrolleinrichtung den Frostschutzbetrieb und schaltet dabei insbesondere mittels der Umschalteinrichtung vom großen Kreislauf in den kleinen Kreislauf und öffnet insbesondere jedes Ausgleichsventil zum Entleeren des Rückkühlers, jeweils wenn die Rückkühler-Rücklauftemperatur einen vorgegebenen Mindestwert, der insbesondere 5°C oder mehr beträgt, unterschreitet.
• Die Kontrolleinrichtung beendet vorzugsweise den Frostschutzbetrieb, schließt insbesondere jedes Ausgleichsventil und schaltet insbesondere mittels der Umschalteinrichtung kleinen Kreislauf in den großen Kreislauf, wenn die Kühlmittel-Vorlauftemperatur einen vorgegebenen Maximalwert, insbesondere aus einem Intervall von 25°C bis 40°C, überschreitet und/oder wenn sich das Kühlmittel in einem Anlaufbetrieb im kleinen Kreislauf ausreichend erwärmt hat, um den Rückkühler wieder entfrostet zu halten oder wieder dem Rückkühler zugeführt werden zu können.
• Schließlich regelt im normalen Kühlbetrieb die Kontrolleinrichtung die Kühlmitteltemperatur für den Verbraucher auf wenigstens einen vorgegebenen Sollwert, insbesondere durch Regeln der Rückkühler-Rücklauftemperatur des Kühlmittels auf einen entsprechend angepassten zugehörigen Sollwert, der im Allgemeinen größer ist als der vorgegebene Mindestwert und insbesondere größer als 5°C, vorzugsweise größer als 10°C, ist.
• In einer Weiterbildung des Kühlmittelbehälters ist eine Kühlmittelführung vorgesehen, umfassend insbesondere ein oder mehrere Prallwände, ausgebildet und eingerichtet zur im Wesentlichen verwirbelungsfreien, zumindest jedoch verwirbelungsreduzierten, Führung des Kühlmittels in das und/oder im zumindest einen Kühlmittelbehälter. Eine verwirbelungsfreie zumindest jedoch eine verwirbelungsreduzierte Einleitung des Kühlmittels ist insoweit wünschenswert als dadurch der Eintrag von Inertgas der Inertgasvorlage ins Kühlmittel vermieden, zumindest jedoch verringert werden kann. Im Kühlmittel gelöstes Inertgas kann unter Umständen die Funktion von Komponenten der Kühlmitteleinrichtung, wie beispielsweise Pumpen und Rückkühler, sowie der Verbraucher beeinträchtigen. Im äußersten Fall kann im Kühlmittel gelöstes Inertgas sogar zu Schäden an Komponenten und Verbrauchern führen.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist im zumindest einen Kühlmittelbehälter ein, vorzugsweise einem Kühlmittelausgang des Kühlmittelbehälters vorgeschalteter und/oder unmittelbar nachgeschalteter, Gasabscheider zum Abscheiden von Inertgas aus dem Kühlmittel und Rückführen in den Gasfüllbereich vorgesehen, insbesondere ein Inertgas-Diffusor, der vorzugsweise eine Ausgleichsbohrung aufweist. Damit kann, gerade unter dem erhöhten Inertgasvorlagendruck im Kühlmittel gelöstes Inertgas wieder aus diesem abgeschieden und in den Gasfüllbereich zurückgeführt werden. Durch den Gasabscheider kann somit der Anteil von im Kühlmittel gelösten Gas, insbesondere Inertgas, verringert werden. Auf diese Weise kann die Betriebssicherheit und Betriebsstabilität der Kühleinrichtung und der Verbraucher verbessert werden. Insbesondere kann die Gefahr von Kavitationen, die bei einem zu hohen Anteil von Inertgas im Kühlmittel, beispielsweise bei Pumpen und dgl., auftreten kann, vermieden oder zumindest maßgeblich reduziert werden.
• Es können ein oder mehrere Kühlmittelbehälter vorgesehen sein, insbesondere in Abhängigkeit vom gesamten, vorzuhaltenden Kühlmittelvolumen, in Abhängigkeit von baulichen und/oder statischen Gegebenheiten und/oder in Abhängigkeit der Größe des Kühlkreislaufnetzes, welche u. a. abhängig sein kann von der Gesamtzahl und Größe der Verbraucher und/oder Außenluft-Rückkühler.
• Für den Fall, dass mehrere Kühlmittelbehälter vorhanden sind, sind diese zum Druckausgleich und/oder Ausgleich des Kühlmittelniveaus vorzugsweise durch kommunizierende Leitungen, insbesondere Rohre, miteinander verbunden. Zum Ausgleich des Kühlmittelniveaus können kommunizierenden Leitungen im unteren, kühlmittelgefüllten Bereich der Kühlmittelbehälter angeordnet sein. Zum Druckausgleich können kommunizierende Leitungen im oberen, kühlmittelfreien Bereich, beispielsweise der Inertgasvorlage, angeordnet sein. Ausgangsöffnungen, insbesondere Ablaufstutzen, zur Entnahme des Kühlmittels aus dem Kühlmittelbehälter sind bevorzugt im unteren Bereich, bevorzugt im Bereich des Bodens des Kühlmittelbehälters angeordnet. Sofern erforderlich, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Kühlmittelentnahmevolumens pro Zeiteinheit und/oder der Größe des Kühlmittelbehälters, kann ein Kühlmittelbehälter auch mehrere Ausgangsöffnungen aufweisen. Eingangsöffnungen, durch welche das vom zumindest einen Außenluft-Rückkühler und/oder zumindest einen Verbraucher in das zumindest eine Kühlmittelbehältnis zurückfließt sind vorzugsweise oberhalb der oder den Ausgangsöffnungen angeordnet. Eingangsöffnungen sind vorzugsweise im unteren, bei Betrieb der Kühleinrichtung kühlmittelgefüllten Bereich des zumindest einen Kühlmittelbehälters angeordnet. Dabei kann ein zur Einleitung des Kühlmittels vorgesehener Einlaufstutzen einen in das jeweilige Kühlmittelbehälters ragenden Rohrstummel aufweisen. Der Rohrstummel kann beispielsweise in etwa die Mitte des Kühlmittelbehälters ragend eine Länge von etwa 1/3 der Querschnittdimension, insbesondere des Durchmessers, des Kühlmittelbehältnisses aufweisen.
• Zur schnelleren Entleerung des Außenluft-Rückkühlers und/oder für besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse beim Betrieb der Kühleinrichtung sind im oberen Bereich des Kühlmittelbehälters eine oder mehrere weitere Eingangsöffnungen für Kühlmittel angeordnet sein. Vorzugsweise sind obere und untere Eingangsöffnungen, insbesondere Zuleitungen zu diesen Eingangsöffnungen, durch Verbindungsleitungen verbunden. Solche Verbindungsleitungen ermöglichen insbesondere ein schnelles Entleeren des/der Außenluft-Rückkühler, auch während des normalen Betriebs der Kühleinrichtung.
• Das Volumen an Kühlmittel, d. h. die Kühlmittelvorlage, sollte derart bemessen sein, dass genügend, insbesondere gekühltes oder vorgekühltes, Kühlmittel für die Verbraucher vorgehalten werden kann. Ferner sollte die Kühlmittelvorlage derart bemessen sein, dass trotz der Trägheit des, insbesondere gekühlten, Kühlmittels im hydraulischen System der Kühleinrichtung eine ausreichende Betriebsstabilität, insbesondere eine ausreichende Volumenstromstabilität, erreicht werden kann.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei wird auch auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:
• 1 einen Kühlkreislauf einer Kühleinrichtung und
• 2 einen Kühlmittelbehälter der Kühleinrichtung.
• In 1 ist eine Kühleinrichtung für einen zu kühlenden Verbraucher 4 oder einen Wärmetauscher eines Verbrauchers dargestellt. Die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlkreislauf, der als geschlossener Einkreis-Kühlkreislauf ausgebildet ist und mit einem flüssigen Kühlmittel K, vorzugsweise Kühlwasser aufgrund dessen hoher spezifischer Wärmekapazität, als Wärmeübertragungsmedium arbeitet. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels K ist jeweils mit Pfeilen gekennzeichnet.
• Der Kühlkreislauf umfasst als die wichtigsten Komponenten einen Rückkühler 6 oder Außenkühler, der in einem frostgefährdeten Außenbereich A angeordnet ist, und einen Kühlmittelbehälter (oder: Kühlmitteltank, Pufferbehälter, Funktionsbehälter oder -behältnis) 1. Ferner ist in den Kühlkreislauf der Verbraucher 4 selbst geschaltet. Der Kühlmittelbehälter 1 und der Verbraucher 4 sind in einem frostsicheren Innenbereich I angeordnet. Der Begriff Einkreis-Kühlkreislauf bedeutet, dass Verbraucherkreis und Kühlkreis hydraulisch nicht voneinander getrennt sind, also einen zusammenhängenden hydraulischen Kühlkreislauf bilden.
• Der Kühlmittelbehälter 1 ist in 2 in weiteren Einzelheiten gezeigt.
• Über eine Umschalteinrichtung 16, insbesondere ein Drei-Wege-Ventil oder Umschaltventil, ist der Kühlkreislauf zwischen einem langen oder großen Kreislauf mit dem Rückkühler 6 und einen kurzen oder kleinen Kreislauf ohne den Rückkühler 6 umschaltbar, wie noch erläutert wird.
• Ein Einlass 40 des Verbrauchers 4 ist über eine Verbraucher-Vorlaufleitung 7, in die eine Kühlmittelpumpe 2 geschaltet ist, mit einem Kühlmittelauslass 53 des Kühlmittelbehälters 1 strömungstechnisch (oder: hydraulisch) verbunden. Ein Auslass 41 des Verbrauchers 4 ist über eine Leitung 42 mit der Umschalteinrichtung 16 strömungstechnisch (oder: hydraulisch) verbunden.
• An einen Einlass 6A des Rückkühlers 6 ist eine Rückkühler-Vorlaufleitung oder Rückkühler-Zuführleitung 38 für das Kühlmittel K angeschlossen und an einen Auslass 6B des Rückkühlers 6 ist eine Abführleitung 39 für das Kühlmittel K angeschlossen.
• Die Umschalteinrichtung 16 ist über die Zuführleitung 38 mit dem Einlass 6A des Rückkühlers 6 und über eine Behälter-Zuführleitung 21, einen Verzweigungspunkt 63 und eine Zuleitung 62 mit einem Einlass 19 des Kühlmittelbehälter 1 verbunden.
• Der Kühlmittelbehälter 1 umfasst gemäß 1 und 2 einen im unteren Bereich angeordneten Kühlmittelbereich 12 für das Kühlmittel K und einen für ein Inertgas G vorgesehenen, im oberen Bereich oberhalb des Kühlmittelfüllbereichs 12 angeordneten Gasfüllbereich 52. Unter einem Inertgas G wird dabei ein Gas verstanden, das nicht mit dem Kühlmittel K reagiert. Ein geeignetes Inertgas G ist insbesondere Stickstoff (N₂). Der Flüssigkeitsspiegel 54 des Kühlmittels K bildet die Grenze zwischen Kühlmittelfüllbereich 12 und Gasfüllbereich 52.
• Im gezeigten Beispiel nehmen der Gasfüllbereich 52 mit der Inertgasvorlage 13 und der Kühlmittelbereich 12 im Kühlmittelbehälter 1 beispielhaft jeweils etwa 50% des Kühlmittelbehältervolumens ein.
• Der Gasfüllbereich 52 bildet ein Retentionsvolumen im Kühlmittelbehälter 1 für im kleinen Kreislauf aus dem großen Kreislauf aus Frostschutzgründen aufzunehmendes Kühlmittel K. Der mit dem Inertgas G unter einem vorgegebenen Ausgleichsdruck p_G gefüllte Gasfüllbereich 52 bildet gemäß der Erfindung eine Inertgasvorlage 13 zum Ausgleich des geodätischen Drucks p_H höher liegender Bereiche des kleinen Kreislaufs, wie noch erläutert wird.
• Der Gasfüllbereich 52 ist über eine Ausgleichsleitung 14, in der ein steuerbares Ausgleichsventil 35 vorgesehen ist, mit einem in einem oberen Bereich angeordneten Anschluss 6C des Rückkühlers 6 verbunden.
• Die Abführleitung 39 vom Rückkühler 6 geht an einem Verzweigungspunkt 60 in eine obere Zuleitung 61 zum Kühlmittelbehälter 1 und in eine Verteilleitung 36 über. Die Verteilleitung 36 und eine Verbraucher-Rücklaufleitung oder Behälter-Zuführleitung 21 laufen an einem weiteren Verzweigungspunkt 63 in eine gemeinsame untere Zuleitung 62 zum Kühlmittelbehälter 1 zusammen. Die untere Zuleitung 62 mündet an einem unteren Einlass 19 in den Kühlmittelbereich 12 des Kühlmittelbehälters 1, die obere Zuleitung 61 mündet dagegen an einem oberen Einlass 18 in den Gasfüllbereich 52 des Kühlmittelbehälters 1 oberhalb des Kühlmittelfüllbereichs 12. Diese Zuleitungen 61, 62 und 36 bilden insbesondere eine Art Einlaufhorn 17, welches über Flanschverbindungen mit oberem Einlass 18 und unterem Einlass 19 verbunden ist. Am oberen Einlass 18 in den Kühlmittelbehälter 1 strömendes Kühlmittel K gelangt innerhalb des Kühlmittelbehälters 1 nach unten in den Kühlmittelfüllbereich 12.
• Der Rückkühler 6 kühlt das über die Zuführleitung 38 zugeführte Kühlmittel K durch Abkühlung an der Außenluft im Außenbereich A (Luftkühlung), solange die mittels eines Außentemperaturfühlers 70 messbare oder gemessene Außenlufttemperatur T_A um eine ausreichende Temperaturdifferenz unterhalb der Vorlauftemperatur, insbesondere der mittels eines Temperaturfühlers 68 messbaren Kühlmitteltemperatur T_K1, des Kühlmittels K in der Zuführleitung 38 liegt.
• Das im Rückkühler 6 abgekühlte Kühlmittel K am Ausgang 6B des Rückkühlers 6, das die mittels eines Temperaturfühlers 69 messbare Rückkühler-Rücklauftemperatur T_K2 mit T_K2 < T_K1 aufweist, wird nun aus dem Rückkühler 6 über die Abführleitung 39, den Verzweigungspunkt 60 sowie über die obere oder untere Rücklaufleitung 61 und 62 dem Kühlmittelbehälter 1 zugeführt und strömt schließlich in den Kühlmittelbereich 12 des Kühlmittelbehälters 1.
• Über einen Kühlmittelauslass 53 am oder unter dem Kühlmittelbereich 12 des Kühlmittelbehälters 1 wird das Kühlmittel K mittels der Kühlmittelpumpe 2 über die Verbraucher-Vorlaufleitung 7 zu dem Einlass 40 des Verbrauchers 4 gefördert. Im Verbraucher 4 nimmt das Kühlmittel K, in der Regel über einen nicht näher dargestellten Wärmetauscher, elektrische Verlustwärme oder eine andere Form von abzuführender Wärme auf. Das Kühlmittel K kühlt also den Verbraucher 4 und erwärmt sich dabei von der Kühlmittel-Vorlauftemperatur T_K3 in der Verbraucher-Vorlaufleitung 7 (oder am Einlass 40 des Verbrauchers 4) unter der Aufnahme der Verbraucherwärme auf die Kühlmitteltemperatur T_K4 > T_K3 am Auslass 41 des Verbrauchers 4 oder in der an den Auslass 41 angeschlossenen Leitung 42.
• Das erwärmte Kühlmittel K verlässt den Verbraucher 4 an dessen Auslass 41 und strömt durch die Leitung 42 zu der Umschalteinrichtung 16. In der Leitung 42 ist eine weitere Kühlmitttelpumpe 5 vorgesehen zum Fördern des Kühlmittels K.
• Die Umschalteinrichtung 16 verbindet oder verschaltet nun in einer ersten Schaltstellung die Leitung 42 mit der Zuführleitung 38, die das Kühlmittel K zum Einlass 6A des Rückkühlers 6 führt, und in einer zweiten Schaltstellung mit dem Vorlauf oder der Behälter-Zuführleitung 21, über die das Kühlmittel K zum Verzweigungspunkt 63 und von dort über die zweite Zuleitung 62 zum unteren Einlass 19 des Kühlmittelbehälter 1 gelangt. In der ersten Schaltstellung der Umschalteinrichtung 16 ist also der große Kreislauf mit dem Rückkühler 6 verwirklicht, während die zweite Schaltstellung der Umschalteinrichtung 16 den kleinen Kreislauf ohne Rückkühler 6 herstellt.
• In einem normalen Kühlbetrieb oder Freikühlbetrieb der große Kreislauf mit Rückkühler 6 über eine möglichst hohe Betriebszeit betrieben. Die Umschalteinrichtung 16 ist also für gewöhnlich in der ersten Schaltstellung. Der Rückkühler 6 ist in seiner Auslegung an die abzuführende Kühlleistung oder Wärmemenge des Verbrauchers 4 angepasst.
• Der Rückkühler 6 verfügt über wenigstens einen einerseits vom Kühlmittel K durchflossenen und andererseits mit der Außenluft in Wärmekontakt befindlichen Wärmetauscher, insbesondere einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, und auch über Mittel zur Steuerung der Rückkühlleistung in einem bestimmten Wertebereich, insbesondere Ventilatoren 71 zur Steuerung der Rückkühlleistung durch erzwungene Konvektion und/oder Besprüh-, Benetzungs- oder Verdampfungseinheiten zur Steuerung der Rückkühlleistung durch adiabatische Kühlung, was eine gewisse Anpassung der Rückkühlerleistung zwischen einem Betrieb bei tiefen Außentemperaturen, z. B. im Winter, und einem Betrieb bei hohen Außentemperaturen, z. B. im Sommer, erlaubt.
• In einem Freikühlbetrieb wird zur Regelung der für den Verbraucher 4 erforderlichen Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels K unter Kühlung durch den Rückkühler 6 im großen Kreislauf die vom Temperaturfühler 69 gemessene Rückkühler-Rücklauftemperatur T_K2 als Regelgröße verwendet, also fortlaufend gemessen und mit einem Sollwert verglichen und auf diesen Sollwert durch Steuerung oder Stellen der Kühlleistung des Rückkühlers 6 mittels der dafür vorgesehenen Mittel, insbesondere der Ventilatoren 71 oder Besprüh- oder Benetzungseinrichtungen, geregelt. Der Sollwert für die Rückkühler-Rücklauftemperatur T_K2 ist an die am Einlass 40 des Verbrauchers 4 erforderliche Verbraucher-Vorlauftemperatur T_K3 angepasst und kann beispielsweise aus einem Sollwertintervall oberhalb 5°C gewählt werden. Zur Regelung der Regelgröße T_K2 auf den Sollwert wird bei tieferen Außentemperaturen T_A die Kühlleistung des Rückkühlers 6 reduziert, beispielsweise durch Verringern der Förderleistung, insbesondere der Lüfterdrehzahl, oder Abschalten der Ventilatoren 71, und bei höheren Außentemperaturen T_A erhöht, beispielsweise durch Erhöhen der Förderleistung der Ventilatoren 71 und ggf. Zuschalten der Besprüheinrichtungen.
• Problematisch ist eine Situation im Betrieb der Kühleinrichtung, die als Frostschutzsituation bezeichnet werden kann. In einer Frostschutzsituation wird also die Vorlauftemperatur, z. B. T_K1, des Kühlmittels K vor dem Rückkühler 6 zu niedrig und das Kühlmittel K kann gefrieren. Eine solche Frostschutzsituation entsteht meist durch gleichzeitiges Zusammentreffen von Frost im Außenbereich A, also sehr tiefen Außentemperaturen, und zu geringer abzuführender Wärme oder Kühlleistung am Verbraucher 4 und/oder zu geringem Volumenstrom des Kühlmittels K durch den Rückkühler 6 sowie bereits auf ein Minimum heruntergefahrener nur noch rein passiver Kühlleistung des Rückkühlers 6, wenn also bereits alle Ventilatoren und Besprüheinrichtungen abgeschaltet sind.
• Zur Behebung dieses Problems wird in einer solchen Frostschutzsituation ein Frostschutzbetrieb oder eine Frostschutzfunktion aktiviert, indem zunächst mit Hilfe der Umschalteinrichtung 16 von dem großen Kreislauf mit Rückkühler 6 in den kleinen Kreislauf ohne Rückkühler 6 umgeschaltet wird und das Kühlmittel K aus dem Kühlmittelbehälter 1 nun im kleinen Kreislauf umgewälzt wird und mittels der Abwärme des Verbrauchers 4 so lange erwärmt wird, bis wieder auf den großen Kreislauf umgeschaltet werden kann, die Frostschutzsituation also wieder aufgehoben ist. Diese Frostschutzbetriebsweise kann auch als Anfahrbetrieb oder Aufwärmbetrieb bezeichnet werden und wird also so lange gefahren, bis die Vorlauftemperatur des Kühlmittels K vor dem Rückkühler 6 wieder ausreichend hoch ist.
• Die Frostschutzsituation oder die Aufhebung der Frostschutzsituation kann durch Überwachung der vom Temperaturfühler 33 gemessenen Kühlmitteltemperatur T_K5 und/oder auch der vom Temperaturfühler 68 gemessenen Rückkühler-Vorlauftemperatur T_K1 und/oder auch der vom Temperaturfühler 69 gemessenen Rückkühler-Rücklauftemperatur T_K2 erkannt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird die vom Temperaturfühler 69 gemessene Rücklauftemperatur T_K2 des Kühlmittels K neben der Regelung im normalen Freikühlbetrieb zusätzlich dazu herangezogen, eine Frostschutzsituation zu erkennen und die Umschalteinrichtung 16 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung zu bringen und damit vom großen Kreislauf in den kleinen Kreislauf umzuschalten. Unterschreitet die Rücklauftemperatur T_K2 einen vorgegebenen Mindestwert T_min, z. B. von 5°C oder etwas mehr, ist also T_K2 < T_min, so besteht die Gefahr eines Einfrierens des Kühlmittels K im Rückkühler 6 und der Frostschutzbetrieb wird initiiert und auf den kleinen Kreislauf umgeschaltet. Das nunmehr nur noch eine Temperatur von ungefähr dem genannten Mindestwert T_min aufweisende Kühlmittel K im Kühlmittelbehälter 1 wird im kleinen Kreislauf umgewälzt und erwärmt sich im Anlaufbetrieb.
• Ferner wird bevorzugt die vom Temperaturfühler 33 gemessene Vorlauftemperatur T_K5 des Kühlmittels K herangezogen, um eine Aufhebung der Frostschutzsituation zu erkennen und nach einem Anlauf- oder Aufwärmbetrieb die Umschalteinrichtung 16 von der zweiten Schaltstellung wieder zurück in die erste Schaltstellung zu bringen und damit vom kleinen Kreislauf zurück in den großen Kreislauf umzuschalten. Ist diese Vorlauftemperatur T_K5 des Kühlmittels K im kleinen Kreislauf nämlich wieder ausreichend hoch und hat sie, aufgrund der Erwärmung durch den Verbraucher 4, einen vorgegebenen Maximalwert T_max, z. B. aus einem Intervall zwischen 35°C und 40°C, überschritten, so kann das Kühlmittel K den Rückkühler 6 wieder ausreichend erwärmen und ohne die Gefahr eines Einfrierens wieder durch den großen Kreislauf einschließlich des Rückkühlers 6 strömen. Es wird also, sobald T_K5 > T_max, wieder durch Umschalten der Umschalteinrichtung 16 in die erste Schaltstellung vom kleinen Kreislauf auf den großen Kreislauf umgeschaltet. Der Rückkühler 6 wird nun mit dem anfänglich 35°C bis 40°C warmen Kühlmittel K beaufschlagt und erwärmt und damit entfrostet.
• Nun reduziert sich aufgrund der Kühlung im Rückkühler 6 die Kühlmitteltemperatur wieder, die Regelung der vom Temperaturfühler 69 gemessene Rücklauftemperatur T_K2 auf den Sollwert wird wieder aktiviert und die Vorlauftemperatur T_K5 am Temperaturfühler 33 sinkt wieder, so dass wieder T_K5 < T_max. Folglich bleibt die Umschalteinrichtung 16 in der ersten Schaltstellung sowie der Kühlkreislauf im großen Kreislauf, bis ggf. wieder die Frostschutzsituation eintritt.
• Das Kühlsystem ist so ausgelegt, dass der Anlauf- oder Aufwärmbetrieb so kurz ist, dass die ausreichende Kühlung des Verbrauchers 4 während des Anlauf- oder Aufwärmbetriebes und der dabei kurzzeitig über dem Sollwert liegenden höheren Kühlmitteltemperaturen nicht beeinträchtigt wird. Typische Zeitdauern für den Anlaufbetrieb liegen zwischen einigen Sekunden bis einigen Minuten, hängen aber von der Auslegung des Systems ab.
• Es muss nun aber auch dafür Sorge getragen werden, dass bei einer Frostschutzsituation und dem Umschalten in den Frostschutzbetrieb oder Anfahrbetrieb die nunmehr aus dem Kühlmittelkreislauf herausgenommenen Bereiche, die sich in einem frostgefährdeten räumlichen Bereich, insbesondere dem Außenbereich A, befinden, nämlich vor allem der Rückkühler 6 und auch seine Zu- und Ableitungen wie die Zuführleitung 38 und die Abführleitung 39 vollständig von dem Kühlmittel K entleert werden, damit nicht dort stehendes Kühlmittel K gefriert. Ein solcher Entleervorgang oder Entleerbetrieb kann gleichzeitig mit dem Umschalten in den kleinen Kreislauf oder kurz danach initiiert werden und bildet ebenfalls einen Bestandteil des Frostschutzbetriebs.
• Für diesen Entleervorgang ist zusätzlich zu der Ausgleichsleitung 14 und den Ausgleichsventilen 35 und 65 das schalt- oder steuerbare Ausgleichsventil 34 in einer Ausgleichsleitung 50 zwischen den, vorzugsweise auf gleicher geodätischer Höhe liegenden, Verzweigungspunkten 48 in der Zuführleitung 38 und 49 in der Abführleitung 39 vorgesehen, das das Entleeren der Zuführleitung 38 bis hinunter zum Verzweigungspunkt 48 ermöglicht. Die Ausgleichsventile 34, 35 und 65 sind bevorzugt Normal-Offen-Ventile (Normally open, NO), die stromlos offen sind und keiner aktiven Öffnung durch einen stromgesteuerten Aktor bedürfen. Die Ausgleichsleitung 14 ist mit einem Anschluss bevorzugt an einer geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Kühlmittelbehälters 1 einerseits und einer mit einem Anschluss 6C des Rückkühlers 6, bevorzugt an der geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Rückkühlers 6, andererseits verbunden. So kann sichergestellt werden, dass sich der Rückkühler 6 im Wesentlichen vollständig leert und vollständig mit Inertgas gefüllt werden kann. Ferner kann vermieden werden, dass bei steigendem Kühlmittelfüllstand im Kühlmittelbehälter 1 bei der Entleerung des Rückkühlers 6 Kühlmittel K durch die bei der Entleerung auftretende Sogwirkung wieder in den Rückkühler 6 gelangt.
• Zum Entleeren der frostgefährdeten Bereiche des großen Kreislaufes, insbesondere des Rückkühler 6 und seiner Zuführleitung 38 und Abführleitung 39, werden, im Allgemeinen unmittelbar nach oder gleichzeitig mit dem Umschalten in den kleinen Kreislauf mittels der Umschalteinrichtung 16, das Ausgleichsventil 34 und das Ausgleichsventil 35 und ggf. auch das Ausgleichventil 65 an der Ausgleichsleitung 14 geöffnet, so dass sich das Kühlmittel K von dem Rückkühler 6 und der Zuführleitung 38 und der Abführleitung 39, vorzugsweise bis hinunter zu den Verzweigungspunkten 48 und 49, in den Kühlmittelbehälter 1 verlagern kann und entsprechend sich das Inertgas G in das Volumen des Rückkühler 6 und der Zuführleitung 38 und der Abführleitung 39, in dem sich zuvor das Kühlmittel K befand, verlagern kann.
• Bei Betrieb der Kühleinrichtung mit Rückkühler 6 gelangt das Kühlmittel K über den Rückkühler-Rücklauf 20 und in der Regel über den unteren Einlass 19 in den Kühlmittelbehälter 1. Bei hohen Rücklaufmengen kann das Kühlmittel K auch über den oberen Einlass 18 in den Kühlmittelbehälter 1 fließen, was beispielsweise bei der Entleerung des Rückkühlers 6 der Fall sein kann. Ein Großteil des Kühlmittels K wird über die Verteilleitung 36 durch Injektorwirkung von dem in der Regel stark strömenden Kühlmittel in der Leitung 21 am Verzweigungspunkt 63 und dann über die Leitung 62 und den Einlass 19 in den Kühlmittelbehälter 1 gesaugt oder mitgerissen. Durch diese Injektorwirkung werden wertvolle Sekunden gewonnen, die den Rückkühler 6 schneller entleeren lassen.
• Das im Rückkühler 6 befindliche Kühlmittel K strömt also im Entleerbetrieb über den Rückkühler-Rücklauf 39, 49, 60, 61 und 62 in den Kühlmittelbehälter 1 und verdrängt teilweise die Inertgasvorlage 13, während Inertgas G der Inertgasvorlage 13 in den Rückkühler 6 strömt. Der Rückkühler 6, ggf. auch Leitungen im Zu- und/oder Ablauf zu diesem, füllen sich bei der Entleerung also mit Inertgas G, wodurch Kühlelemente, insbesondere Kühl- oder Wärmetauscherrohre des Rückkühlers 6, und Leitungen usw. innen vor Korrosion geschützt werden können.
• Solange keine Frostschutzsituation vorliegt, insbesondere also die Rücklauftemperatur T_K2 des Kühlmittels K den vorgegebenen Mindestwert T_min nicht unterschreitet, kann die Umschalteinrichtung 16 in der ersten Schaltstellung gehalten werden sowie der große Kreislauf eingestellt bleiben und die Ausgleichsventile 34, 35 und 65 werden oder bleiben geschlossen, da im großen Kreislauf ein Entleeren nicht vorgesehen und nicht sinnvoll ist.
• Der Kühlmittelbehälter 1 dient also auch zur Pufferung oder Aufnahme des im Entleerbetrieb entleerten Kühlmittels K während des Frostschutzbetriebes, stellt also ein Retentionsvolumen für das entleerte Kühlmittel K zur Verfügung.
• Das von dem Gasfüllbereich 52 bereitgestellte Retentionsvolumen im Kühlmittelbehälter 1 ist nun grundsätzlich so groß gewählt, dass es das Entleerungsvolumen des aus dem Rückkühler 6 und den oberhalb der Verzweigungspunkte 48 und 49 liegenden Bereichen der Zuführleitung 38 und der Abführleitung 39 ohne Weiteres aufnehmen kann.
• Ein weiteres Problem bei der Anordnung gemäß der Erfindung wie in 1 gezeigt ist der geodätische, hydrostatische Druck p_H aus dem Bereich des Kreislaufs, der oberhalb des Gasfüllbereichs 52 des Kühlmittelbehälters 1 und ggf. sogar oberhalb der Verzweigungspunkte 48 und 49 liegt, im Beispiel der 1 sind das der Verbraucher 4 und anschließende obere Bereiche der Leitungen 7 und 42 in dem Kühlkreislauf. Dieser geodätische Druck ist p_H = ρ·g·h mit der Dichte ρ des Kühlmittels K, der Erdbeschleunigung g und dem Höhenunterschied h zwischen dem höchsten Stand der Flüssigkeitssäule beim Verbraucher 4 und dem Flüssigkeitsspiegel 54 im Kühlmittelbehälter 1. Der geodätische Druck p_H ist also unabhängig vom Strömungs- oder Leitungsquerschnitt im Kreislauf oder Verbraucher 4.
• Der geodätische Druck p_H würde aufgrund des Prinzips der kommunizierenden Röhren dazu führen, dass der Kühlmittelbehälter 1 vollständig mit Kühlmittel K gefüllt wäre, auch wenn die Ausgleichsventile 34, 35 und 65 geöffnet wären. Es würde also an dem Retentionsvolumen im Kühlmittelbehälter 1 für das zu entleerende Kühlmittel fehlen und der Frostschutz durch den Entleerbetrieb wäre nicht zu gewährleisten.
• Um dieses in einer Anordnung gemäß 1 auftretende Problem des geodätischen Drucks p_H zu beheben, ist gemäß der Erfindung die Inertgasvorlage 13 vorgesehen. Das Inertgas G wird unter einem vorgegebenen Ausgleichsdruck p_G in den Kühlmittelbehälter 1 eingefüllt und verdrängt in dem Gasfüllbereich 52 des Kühlmittelbehälters 1 das Kühlmittel K in den unteren Kühlmittelbereich 12 als Gegendruck zu dem im Kühlmittel K wirkenden geodätischen Druck p_H der höher liegenden mit Kühlmittel gefüllten Bereiche des Kreislaufes wie dem Verbraucher 4 und den oberen Bereichen von dessen Zu- und Ableitungen 7 und 42. Es wird also insbesondere p_G = p_H eingestellt. Typische Werte für den Ausgleichsdruck p_G liegen in der Praxis zwischen 1,5 bar und 4,2 bar.
• Das erforderliche Retentionsvolumen des Gasfüllbereichs 52 für das zu entleerende Kühlmittel K und der erforderliche Gegendruck p_G werden vorab rechnerisch bestimmt und können zusätzlich durch Kalibriermessungen überprüft und feinjustiert werden. Eine Druckmessung ist deshalb nicht erforderlich. Ebenso muss bei der erforderlichen Druckdichtheit der einmal eingestellte Ausgleichsdruck p_G nicht mehr durch weitere Gaszufuhr von Inertgas G angepasst oder verändert werden, es sei denn es werden neue Komponenten oder Verbraucher hinzugeschaltet, die den geodätischen Druck p_H verändern oder vergrößern.
• Da das Kühlkreislaufsystem ein Einkreis-Kühlsystem ist und geschlossen und druckdicht ist, wird der zusätzliche Druck p_G der Inertgasvorlage 13 im gesamten Kühlkreislauf einschließlich Kühlmittelbehälter 1 und Verbraucher 4 aufrechterhalten und führt zu der gewünschten Verlagerung der Flüssigkeitssäulen im Kreislauf zum Ausgleich des geodätischen Drucks p_H.
• Beim bereits beschriebenen Entleervorgang zu Frostschutzzwecken liegt der Ausgleichsdruck p_G der Inertgasvorlage 13 über die Ausgleichsleitung 14 und das geöffnete Ausgleichsventil 35 an einer Seite des zu entleerenden Kühlmittelvolumens an und über die Einlässe 18 und 19 und die Leitungen 61 und 62 und 20 an der anderen Seite, so dass sich eine Druckdifferenz von Null ergibt und der um den Ausgleichsdruck p_G erhöhte Druck im Kühlkreislauf den Entleervorgang nicht beeinflusst oder behindert.
• Damit bei Konfigurationen, bei welchen Verbraucher 4 im Einkreis-Kühlkreislauf wie im gezeigten Beispiel geodätisch oberhalb des Kühlmittelbehälters 1 gelegen sind, ein ausreichendes Retentionsvolumen erhalten bleibt, weist der Kühlmittelbehälter 1 die Inertgasvorlage 13 auf. Die Inertgasvorlage 13 nimmt ein gewisses Volumen des Kühlmittelbehälters 1 ein und verhindert so, dass Kühlmittel K von geodätisch höher gelegenen Verbrauchern 4 in den Kühlmittelbehälter 1 in unerwünschter Weise zurückfließt. Ohne Inertgasvorlage würde von geodätisch oberhalb des Kühlmittelbehälters 1 angeordneten Verbrauchern 4 Kühlmittel K zurückfließen und das Retentionsvolumen schmälern oder ganz verhindern.
• Bei dem gezeigten System ist, mit anderen Worten, ein gewisses Retentionsvolumen deswegen erforderlich, da der Außenluft-Rückkühler 6 bei Verwendung eines bei Außen-Frost gefrierenden Kühlmittels in frostgefährdeten Perioden oder Phasen, insbesondere im Winter, bei zugleich zu geringer Kühlleistungsanforderung geleert werden muss. Zur Entleerung des Außenluft-Rückkühlers 6 in den Kühlmittelbehälter 1 ist ein gewisses Volumen, d. h. Retentionsvolumen, erforderlich, das insbesondere durch die Inertgasvorlage 13 sichergestellt werden kann.
• Die Kühlmittelpumpen 2 und 5 sind normalerweise sowohl im großen Kreislauf als auch im kleinen Kreislauf, also unabhängig von der Schaltstellung der Umschalteinrichtung 16, eingeschaltet, das Kühlmittel K wird also permanent durch den Kühlkreislauf gefördert. Dabei kann aber zu Regelungszwecken die Förderleistung der Kühlmittelpumpen 2 und/oder 5 verändert werden. Damit sich Änderungen im Volumenstrom in dem Teilkreis mit dem Verbraucher 4 nicht negativ in dem Teilkreis mit dem Rückkühler 6 und dem Kühlmittelbehälter 1 auswirken und letzterer immer mit dem vollen Volumenstrom beaufschlagt wird, ist die Querleitung 145 zwischen den Kühlmittelpumpen 2 und 5 vorgesehen.
• Das beschriebene Kühlsystem gemäß der Erfindung hat u. a. die folgenden Eigenschaften oder Vorteile:
• 1. Verwendung von purem Wasser als Kühlmittel möglich (keine thermischen Verluste durch Frostschutzmittel)
• 2. Durch Verwendung der Inertgasvorlage kann die räumliche Anordnung des Verbrauchers ohne hydraulische Trennung des Verbrauchers vom Kühlmittelbehälter, z. B. durch Plattenwärmetauscher zwischen zwei Kreisläufen, unabhängig von der Anordnung des Kühlmittelbehälters und insbesondere auch oberhalb des Kühlmitttelbehälters gewählt werden, somit werden thermische Verluste durch Plattenwärmetauscher o. ä. vermieden.
• 3. Das System hat dadurch eine sehr hohe Energieeffizienz und trägt erheblich zur Energieeinsparung und Verminderung des CO2-Ausstoßes bei.
• In der vorteilhaften Ausführung des Kühlmittelbehälters 1 gemäß 2 werden durch eine spezielle Kühlmittelführung unerwünschte Verwirbelungen und Oberflächenbewegungen des Kühlmittels K im Kühlwasserbehälter 1 vermieden, zumindest jedoch verringert, und das Lösen und der Eintrag von Inertgas G im oder ins Kühlmittel K möglichst gering gehalten. Aufgrund des höheren Druckes p_G der Inertgasvorlage 13 löst sich auch mehr Inertgas G im Kühlmittel K, was zu Problemen im Kreislauf führen kann.
• Deshalb sind zunächst im Bereich des oberen Einlasses 18 ein oder mehrere Prallwände, insbesondere Prallbleche, 23 angebracht und der untere Einlass 19 ist durch ein Rohrstück 24 bzw. einen Rohrstummel in den Kühlmittelbehälter 1 hinein verlängert. Das Rohrstück 24 ragt etwa ein Drittel des Durchmessers des Kühlmittelbehälters 1 in diesen hinein. Um Verwirbelungen beim Austritt des Kühlmittels K aus dem Rohrstück 24 zumindest zu reduzieren ist das freie Ende des Rohrstücks oben angeschrägt.
• Des Weiteren ist zwischen dem freien Ende des Rohrstücks 24 und dem Kühlmittelauslass 53 ein Inertgas-Diffusor 25 angebracht. Der Inertgas-Diffusor 25 dient insbesondere als Prall- bzw. Umlenkeinrichtung. Der Inertgas-Diffusor 25 ist so ausgebildet und angeordnet, dass das über das Rohrstück 24 einströmende Kühlmittel K an diesem entlang strömt, wenn es über ein definiertes Spaltmaß zwischen Inertgas-Diffusor 25 und Wandung des Kühlmittelbehälters 1 durch die erste Kühlmittelpumpe 2 aus dem Kühlmittelbehälter 1 gesaugt wird. Durch die Zwangsführung des Kühlmittels K im Bereich des Inertgas-Diffusors 25 wird die Strömung beruhigt und gelöstes Inertgas sammelt sich ggf. in Form von Inertgasblasen an und kann zurück in die Inertgasvorlage 13 entweichen. Im Inertgas-Diffusor 25 ist eine Ausgleichsbohrung 37 vorgesehen, die bei Erstinbetriebnahme sowie im laufenden Betrieb eingeschlossenes Inertgas G wieder nach oben in den Kühlmittelbehälter 1 einströmen lässt.
• Der Kühlmittelbehälter 1 ist ferner mit vier Füllstandssensoren 26 bis 29 zum Messen des Füllstandes, also der Höhe des Kühlmittelspiegels 54, ausgestattet. Der oberste Füllstandssensor 26 ist dazu vorgesehen, eingerichtet und angeordnet, eine Überfüllung des Kühlmittelbehälters 1 feststellen zu können. Zwischen dem zweitobersten Füllstandssensor 27 und dem drittobersten und zweituntersten Füllstandssensor 28 ist der übliche Füllstand im Betrieb und zwar sowohl im kleinen Kreislauf als auch im großen Kreislauf. Im kleinen Kreislauf mit entleertem Rückkühler 6 und Zu- und Ableitungen ist der Füllstand höher, der Kühlmittelspiegel 54 liegt also näher beim zweitobersten Füllstandsensor 27. Im großen Kreislauf mit von Kühlmittel K durchströmtem Rückkühler 6 ist der Füllstand niedriger, der Kühlmittelspiegel 54 liegt also näher beim drittobersten Füllstandsensor 28. Das Retentionsvolumen liegt also als Teilvolumen zwischen den beiden Füllstandssensoren 27 und 28. Der unterste Füllstandssensor 29 ist dazu vorgesehen, eingerichtet und angeordnet, den zum regulären Betrieb mindest erforderlichen Kühlmittelfüllstand zu überwachen.
• Wegen der Abstände zwischen den Füllstandssensoren 26 bis 29 können vorliegend lediglich vier verschiedene Füllstände überwacht werden. Um genauere Informationen über den jeweiligen Füllstand, insbesondere etwaige Zwischenwerte, und Änderungen bzw. Änderungsgeschwindigkeiten des Füllstands zu erhalten ist es im Prinzip möglich, weitere Füllstandssensoren anzubringen.
• In der vorliegenden bevorzugten Ausführung gemäß der Erfindung ist dem Kühlmittelbehälter 1 jedoch eine Wägeeinrichtung zugeordnet, mit welcher die Masse oder das Gewicht des Kühlmittelbehälters 1 gemessen werden kann und damit indirekt der Füllstand sowie Änderungen und Änderungsgeschwindigkeiten desselben vergleichsweise genau ermittelt werden können.
• Die Wägeeinrichtung umfasst im in 2 gezeigten Beispiel insgesamt drei, an entsprechenden Standfüßen des Kühlmittelbehälters 1 angebrachte Wägezellen 30, mit welchen die Masse des gesamten, mit Kühlmittel K und Inertgas G gefüllten Kühlmittelbehälters 1 ermittelt werden kann. Anhand der so ermittelten Werte für das Gewicht oder die Masse kann der Füllstand oder Kühlmittelspiegel 54 des Kühlmittels K im Kühlmittelbehälter 1 ermittelt bzw. berechnet werden.
• Insbesondere zur Erfassung und Verarbeitung der Messwerte der Füllstandssensoren 26 bis 29 und der Wägezellen 30 umfasst die Kühleinrichtung eine Kontrolleinrichtung 31, insbesondere eine elektronische Steuerung, beispielsweise eine SPS-Steuerung (SPS = Speicher-Programmierbare-Steuerung). Mit der Kontrolleinrichtung 31 können grundsätzlich beliebige andere betriebsgemäße Ablaufe der Kühleinrichtung gesteuert und beliebige Betriebsparameter, insbesondere die Temperatur des Kühlmittels K ggf. an unterschiedlichen Stellen, überwacht und eingestellt werden. Es kann insbesondere der Betrieb der Kühlmittelpumpe 2, der Betrieb, insbesondere das Zu- und Abschalten, des Rückkühlers 6 über die Umschalteinrichtung 16, und weitere Funktionen koordiniert bzw. gesteuert werden. Ferner können Störungen, kritische Betriebszustände, Unregelmäßigkeiten im Betrieb der Kühleinrichtung überwacht, und es können ggf. automatisch Gegenmaßnahmen ergriffen, eingeleitet oder veranlasst werden.
• Die Wägeeinrichtung dient insbesondere zur (indirekten) Überwachung des Gegendruckes oder Ausgleichsdruck p_G der Inertgasvorlage 13 und des Volumens des Gasfüllbereiches 53. Dazu werden bei verschiedenen Betriebszuständen das über die Wägezellen 30 jeweils gemessene Behältergewicht (oder: die Behältermasse) von der Steuerung 31 ins Verhältnis gesetzt.
• Steigt das gemessene Behältergewicht – bei gleichem Betriebspunkt, z. B. im großen Kreislauf – an, so befindet sich mehr Kühlmittel K im Kühlmittelbehälter 1. Dies lässt auf eine Undichtigkeit oberhalb des Kühlmittelsspiegels 54 im Behälter 1 oder im Rückkühler 6 oder einer Leitung schließen, d. h. der Ausgleichsdruck p_G der Inertgasvorlage 13 ist gefallen. Hier wird nun durch Lecksuche die Undichtigkeit behoben werden und wieder Inertgas G nachgefüllt, um den Ausgleichsdruck p_G der Inertgasvorlage 13 wieder auf seinen gewünschten Wert zu bringen.
• Ein mittels der Wägezellen 30 festgestelltes sinkendes Behältergewicht – bei gleichem Betriebspunkt, z. B. im großen Kreislauf – ist ein Hinweis darauf, dass sich weniger Kühlmittel K im Kühlmittelbehälter 1 befindet und dass eine Undichtigkeit im Kühlmittelkreislauf vorliegt, also Kühlmittel K irgendwo austritt, und ggf. zu beheben ist.
• Es sind vielfache Abwandlungen gegenüber den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen möglich. Selbstverständlich können auch mehrere Rückkühler 6 und/oder mehrere Verbraucher 4 vorgesehen sein, die insbesondere seriell oder parallel verschaltet werden können. Bei mehreren Rückkühlern 6 werden diese nach erforderlicher Kühlleistung des oder der Verbraucher bevorzugt einzeln zu- und abgeschaltet, so dass eine lineare Leistungsanpassung an die benötigte Kühlleistung der Verbraucher stattfindet. Ferner können auch zusätzlich eine oder mehrere Kältemaschinen in den Kreislauf geschaltet werden, insbesondere zwischen Kühlmittelbehälter und Verbraucher.
• Bezugszeichenliste

1

Kühlmittelbehälter

2

Kühlmittelpumpe

4

Verbraucher

5

Kühlmittelpumpe

6

Rückkühler

6A

Einlass des Rückkühlers

6B

Auslass des Rückkühlers

6C, 6D

Anschluss

7

Verbraucher-Vorlaufleitung

12

Kühlmittelfüllbereich

13

Inertgasvorlage

14

Ausgleichsleitung

16

Umschalteinrichtung

17

Einlaufhorn

18

oberer Einlass

19

unterer Einlass

20

Rückkühler-Rücklauf

21

Behälter-Zuführleitung

23

Prallwand

24

Rohrstück

25

Inertgas-Diffusor

26 bis 29

Füllstandssensor

30

Wägezelle

31

Kontrolleinrichtung

32

Überdruckventil

33

Temperaturfühler

34, 35

Ausgleichsventil

36

Verteilleitung

37

Ausgleichsbohrung

38

Zuführleitung

39

Abführleitung

40

Einlass

41

Auslass

42 bis 45

Leitung

48, 49

Verzweigungspunkt

50

Ausgleichsleitung

52

Gasfüllbereich

53

Kühlmittelauslass

54

Kühlmittelspiegel

60

Verzweigungspunkt

61, 62

Zuleitung

63

Verzweigungspunkt

64

Anschluss

65

Ausgleichsventil

68, 69

Temperaturfühler

70

Außentemperaturfühler

71

Ventilator

145

Querleitung

A

Außenbereich

I

Innenbereich

G

Inertgas

K

Kühlmittel

T_K1 bis T_K5

Kühlmitteltemperatur

T_A

Außentemperatur

p_G

Ausgleichsdruck

p_H

geodätischer Druck

Claims (9)

1. Kühleinrichtung mit a) einem Kühlkreislaufsystem, das von einem Kühlmittel (K), insbesondere Kühlwasser, durchströmt wird, b) wenigstens einem von dem Kühlmittel (K) durchströmten oder durchströmbaren Rückkühler (6), der in einem zeitweise einfriergefährdeten Bereich (A) angeordnet ist und aus dem in einem Frostschutzbetrieb das Kühlmittel (K) entleerbar ist, c) wenigstens einem mit dem Rückkühler (6) hydraulisch verbundenen oder verbindbaren Kühlmittelbehälter (1) mit einem Retentionsvolumen (52) zur Aufnahme von Kühlmittel (K) aus dem Rückkühler (6) beim Entleeren des Rückkühlers (6) im Frostschutzbetrieb, d) wenigstens einem mittels des Kühlmittels (K) zu kühlenden Verbraucher (4), der mit dem Kühlmittelbehälter (1) hydraulisch verbunden ist und mit dem Rückkühler (6) hydraulisch verbunden oder verbindbar ist, e) ferner mit einer Umschalteinrichtung (16) zum Umschalten des Kühlkreislaufes zwischen einem großen Kühlkreislauf mit dem wenigstens einen Rückkühler (6) und einem kleinen Kühlkreislauf ohne den wenigstens einen Rückkühler (6) in dem Frostschutzbetrieb, wobei im großen Kühlkreislauf das Kühlmittel (K) den Rückkühler (6), den Kühlmittelbehälter (1) und den Verbraucher (4) zyklisch durchströmt und wobei im kleinen Kühlkreislauf das Kühlmittel (K) den Kühlmittelbehälter (1) und den Verbraucher (4) zyklisch durchströmt, nicht jedoch den Rückkühler (6), f) wobei der kleine Kühlkreislauf mit Kühlmittelbehälter (1) und Verbraucher (4) in einem einfriersicheren Bereich (I) angeordnet ist, g) wobei wenigstens ein Teilbereich des kleinen Kühlkreislaufes, insbesondere der Verbraucher (4) und ggf. Teile von Zu- und Ableitungen (7, 42) des Verbrauchers (4), geodätisch höher angeordnet ist als der Kühlmittelbehälter (1), so dass ein entsprechender geodätischer Druck (p_H) auf das Kühlmittel (K) im Kühlmittelbehälter (1) wirkt, h) und schließlich mit einer Inertgasvorlage (13) in dem Kühlmittelbehälter (1) zum Aufbau eines Ausgleichsdruckes (p_G) in dem Kühlmittelbehälter (1) zum Ausgleich des geodätischen Druckes (p_H) derart, dass sich im Kühlmittelbehälter (1) neben einem mit Kühlmittel (K) gefüllten Kühlmittelfüllbereich (12) ein mit Inertgas (G) gefüllter Gasfüllbereich (52) befindet, der wenigstens teilweise das Retentionsvolumen bereitstellt, i) wobei der Gasfüllbereich (52) des Kühlmittelbehälters (1) über zumindest eine Ausgleichsleitung (14), in der wenigstens ein Ausgleichsventil (35) vorgesehen ist, zum Gasausgleich mit einem Anschluss (6C) des Rückkühlers (6) verbunden ist, j) wobei ein Auslass (6B) des Rückkühlers (6) über eine Abführleitung (39) zum Abführen von Kühlmittel (K) vom Rückkühler (6) mit dem Kühlmittelbehälter (1) verbunden ist und k) wobei eine Kontrolleinrichtung (31) vorgesehen ist, die zur zumindest teilweisen Steuerung und/oder Regelung des Betriebs der Kühleinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Kontrolleinrichtung (31) mit der Umschalteinrichtung (16) sowie dem Ausgleichsventil (35) verbunden ist, l) wobei die Kontrolleinrichtung (31) zum Entleeren des Rückkühlers (6) im Frostschutzbetrieb die Umschalteinrichtung (16) und das wenigstens eine Ausgleichsventil (34, 35) derart ansteuert, dass mittels der Umschalteinrichtung (16) der kleine Kreislauf eingestellt wird und das wenigstens eine Ausgleichsventil (35) in der wenigstens einen Ausgleichsleitung (14) geöffnet wird, und m) wobei die Kontrolleinrichtung (31) den Frostschutzbetrieb beendet, das Ausgleichsventil (34, 35) schließt und mittels der Umschalteinrichtung (16) vom kleinen Kreislauf in den großen Kreislauf umschaltet, wenn die Kühlmittel-Vorlauftemperatur (T_K5) vor der Umschalteinrichtung (16) einen vorgegebenen Maximalwert, insbesondere aus einem Intervall von 35°C bis 40°C, überschreitet und/oder wenn sich das Kühlmittel (K) in einem Anlaufbetrieb im kleinen Kreislauf ausreichend erwärmt hat, um wieder dem Rückkühler (6) zugeführt werden zu können.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) als Inertgas (G) ist Stickstoff vorgesehen, b) die Inertgasvorlage (13) nimmt zwischen 30% bis 60% des Volumens, insbesondere etwa 50% des Volumens, des Kühlmittelbehälters (1) ein und/oder das Verhältnis zwischen Volumen des Kühlmittelfüllbereiches (12) und dem Volumen des Gasfüllbereiches (52) liegt in einem Intervall zwischen 0,25 und 4, insbesondere zwischen 1/3 und 3, c) die Inertgasvorlage (13) ist in den bereits mit Kühlmittel gefülltem Kühlkreislauf einmalig vor dem Betrieb des Kühlkreislaufes unter dem gewünschten Ausgleichsdruck (p_G) in den Kühlmittelbehälter (1) eingefüllt, derart, dass das gewünschte oder bestimmte Retentionsvolumen erreicht ist.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) das Retentionsvolumen ist bestimmt als oder entspricht der Differenz aus dem vom Kühlmittel (K) im kleinen Kreislauf bei entleertem Rückkühler (6) eingenommenen Volumen im Kühlmittelbehälters (1) einerseits und dem vom Kühlmittel (K) im großen Kreislauf eingenommenen Volumen im Kühlmittelbehälter (1) andererseits, b) dem Kühlmittelbehälter (1) sind einer oder mehrere Sensoren zum direkten oder indirekten Bestimmen des vom Kühlmittel (K) eingenommenen Volumens im Kühlmittelbehälter (1) zugeordnet, c) der oder die Sensoren sind oder umfassen wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, insbesondere vier, Füllstandssensoren zum Überwachen des Füllstandes des Kühlmittels (K) im Kühlmittelbehälter (1), insbesondere einen obersten Füllstandssensor (26) zur Überwachung einer Überfüllung, einem zweitobersten und drittobersten Füllstandsensor (27, 28), zwischen denen der Kühlmittelspiegel (54) oder Füllstand sowohl im kleinen Kreislauf als auch im großen Kreislauf liegt und/oder zwischen denen ein Teilvolumen als Retentionsvolumen dient, und einem untersten Füllstandssensor (29) zum Überwachen eines zum regulären Betrieb mindest erforderlichen Kühlmittelfüllstandes, d) der oder die Sensoren sind oder umfassen Gewichtssensoren oder Wägezellen oder eine Wägeeinrichtung (30) zum Ermitteln der im Kühlmittelbehälter (1) befindlichen Kühlmittelmasse als Maß für das Kühlmittelvolumen bei der bekannten spezifischen Dichte des Kühlmittels (K) und/oder als Maß für den Ausgleichsdruck (p_G) der Inertgasvorlage (13).
4. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) in Strömungsrichtung des Kühlmittels (K) ist der zumindest eine Verbraucher (4) dem zumindest einen Kühlmittelbehälter (1) nachgeschaltet und/oder der Rückkühler (6) dem zumindest einen Verbraucher (4) nachgeschaltet, b) es ist wenigstens eine Kühlmittelpumpe (2) in dem kleinen Kreislauf zum Fördern oder Umwälzen des Kühlmittels vorgesehen, insbesondere zumindest eine dem zumindest einen Kühlmittelbehälter (1) nachgeschaltete Kühlmittelpumpe (2), c) die Umschalteinrichtung (16) ist mit einem Eingang (6A) des Rückkühlers (6) und mit einem Einlass (19) des Kühlmittelbehälters (1) und zumindest indirekt mit einem Auslass (41) des Verbrauchers (4) hydraulisch verbunden.
5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gasfüllbereich (52) des Kühlmittelbehälters (1) mit seiner geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle über die zumindest eine Ausgleichsleitung (14) mit der geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Rückkühlers (6) verbunden ist.
6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Zuführleitung (38) zum Rückkühler (6) zum Zuführen von Kühlmittel (K) und die Abführleitung (39) zum Abführen von Kühlmittel (K) vom Rückkühler (6) über eine Ausgleichsleitung (50), in der ein Ausgleichsventil (34) angeordnet ist, hydraulisch verbunden oder verbindbar sind und bei der die Kontrolleinrichtung (31) auch mit diesem Ausgleichsventil (34) verbunden ist und zum Entleeren des Rückkühlers (6) im Frostschutzbetrieb die Umschalteinrichtung (16) und jedes Ausgleichsventil (34, 35) derart ansteuert, dass mittels der Umschalteinrichtung (16) der kleine Kreislauf eingestellt wird und die Ausgleichsventile (34, 35) in den Ausgleichsleitungen (14, 50) geöffnet werden, und bei der die Kontrolleinrichtung (31) den Frostschutzbetrieb beendet, jedes Ausgleichsventil (34, 35) schließt und mittels der Umschalteinrichtung (16) vom kleinen Kreislauf in den großen Kreislauf schaltet, wenn die Kühlmittel-Vorlauftemperatur (T_K5) einen vorgegebenen Maximalwert, insbesondere aus einem Intervall von 35°C bis 40°C, überschreitet und/oder wenn sich das Kühlmittel (K) in einem Anlaufbetrieb im kleinen Kreislauf ausreichend erwärmt hat, um den Rückkühler (6) wieder entfrostet zu halten oder wieder dem Rückkühler (6) zugeführt werden zu können.
7. Kühleinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) es ist wenigstens ein Kühlmitteltemperatursensor (33, 68, 69) zum Messen der Kühlmitteltemperatur (T_K5, T_K1 oder T_K2) vorgesehen, b) es ist ein Kühlmitteltemperatursensor (33) zum Messen der Kühlmittel-Vorlauftemperatur (T_K5) vor der Umschalteinrichtung (16) vorgesehen, c) es ist ein Kühlmitteltemperatursensor (68) zum Messen der Rückkühler-Vorlauftemperatur (T_K1) des Kühlmittels (K) vor dem Rückkühler (6) vorgesehen, d) es ist ein Kühlmitteltemperatursensor (69) zum Messen der Rückkühler-Rücklauftemperatur (T_K2) des Kühlmittels (K) nach dem Rückkühler (6) vorgesehen.
8. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) die Kontrolleinrichtung (31) ist eine frei programmierbare Steuerung, b) die Kontrolleinrichtung (31) ist mit dem oder den vorhandenen Sensoren und der Umschalteinrichtung (16) sowie jedem Ausgleichsventil (34, 35) verbunden, c) die Kontrolleinrichtung (31) startet den Frostschutzbetrieb, schaltet insbesondere mittels der Umschalteinrichtung (16) vom großen Kreislauf in den kleinen Kreislauf und öffnet insbesondere jedes Ausgleichsventil (34, 35) zum Entleeren des Rückkühlers (6), wenn die Rückkühler-Rücklauftemperatur (T_K2) einen vorgegebenen Mindestwert, insbesondere von 5°C oder mehr, unterschreitet, d) die Kontrolleinrichtung (31) beendet den Frostschutzbetrieb, schließt jedes Ausgleichsventil (34, 35) und schaltet mittels der Umschalteinrichtung (16) vom kleinen Kreislauf in den großen Kreislauf, wenn die Kühlmittel-Vorlauftemperatur (T_K5) einen vorgegebenen Maximalwert, insbesondere aus einem Intervall von 35°C bis 40°C, überschreitet und/oder wenn sich das Kühlmittel (K) in einem Anlaufbetrieb im kleinen Kreislauf ausreichend erwärmt hat, um den Rückkühler (6) wieder entfrostet zu halten oder wieder dem Rückkühler (6) zugeführt werden zu können, e) die Kontrolleinrichtung (31) regelt die Kühlmitteltemperatur für den Verbraucher (4) auf wenigstens einen vorgegebenen Sollwert, insbesondere durch Regeln der Rückkühler-Rücklauftemperatur (T_K2) des Kühlmittels (K) auf einen entsprechend angepassten zugehörigen Sollwert, insbesondere aus einem Intervall oberhalb 5°C.
9. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Merkmale: a) im zumindest einen Kühlmittelbehälter (1) ist eine Kühlmittelführung vorgesehen, umfassend insbesondere ein oder mehrere Prallwände (23), ausgebildet und eingerichtet zur im Wesentlichen verwirbelungsfreien Führung des Kühlmittels (K) in das und/oder im zumindest einen Kühlmittelbehälter (1), b) im zumindest einen Kühlmittelbehälter (1) ist ein, vorzugsweise einem Kühlmittelausgang (53) des Kühlmittelbehälters (1) vorgeschalteter und/oder unmittelbar nachgeschalteter, Gasabscheider zum Abscheiden von Inertgas (G) aus dem Kühlmittel (K) und Rückführen in den Gasfüllbereich (52) vorgesehen, insbesondere ein Inertgas-Diffusor (25), der vorzugsweise eine Ausgleichsbohrung (37) aufweist.

Images