DE102011103625A1

DE102011103625A1 - Vorrichtung zur Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik und Flüssigkeitskühlern sowie Kälterückgewinnung in der Lüftungstechnik

Info

Publication number: DE102011103625A1
Application number: DE201110103625
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: HOMBUECHER HEINZ DIETER
Current assignee: HOMBUECHER HEINZ DIETER
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-06-14
Also published as: EP2397805A2; EP2397805B1; EP2397805A3

Abstract

Verfahren zur Verringerung des Luftvolumenstromes bei der Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik, mit einem Luftkanal, einem Wärmeaustauscher (8, 2) und einem vorgeschalteten Befeuchter (1, 7), der ein Aerosol in dem Luftvolumenstrom vor dem nachgeschalteten Wärmeaustauscher (8, 2) erzeugt, das im Luftvolumenstrom verdampft. Zur besseren Energieausbeute wird der aus dem Wärmeaustauscher (8, 2) austretende Luftvolumenstrom erneut angefeuchtet und mindestens einem weiteren Wärmeaustauscher (2, 5) zugeleitet. Zur Steigerung der Kühlwirkung erfolgt eine direkte Befeuchtung der Oberfläche des Wärmeaustauschers (2, 5). Eine zugehörige Vorrichtung weist neben Luftkanal, Wärmeaustauscher (8, 2) und Befeuchter (7, 1), mindestens einen zweiten Wärmeaustauscher (5; 2, 5) im Luftkanal auf. Dem ersten Wärmeaustauscher (8, 2) nachgeschaltet ist ein Befeuchter (3; 1, 3) für die Verdunstungskühlung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Luftvolumenstromes bei der Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik und Flüssigkeitskühlern sowie Kälterückgewinnung in der Lüftungstechnik aus einem Luftstrom nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit mehreren Luftströmen, die zu einem Luftstrom zusammengeführt werden nach Anspruch 2.
Die Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik vor dem erneuten Einsatz für den Wärmetransport findet in der Regel über so genannte Trockenkühler und Kühltürme statt.
In diesem Zusammenhang ist in DE 202 21 407 U1 (auch DE 101 40 279 A1 ) eine Vorrichtung Zur Rückkühlung von Kühlmitteln oder Rückkühlmedien oder zur Kältegewinnung beschrieben. Die bekannten genannten Rückkühleinrichtungen, wie zum Beispiel ein Kühlturm, Hybridkühler oder Trockenkühler, sind ebenso einstufig wie eine Vorrichtung, die gemäß DE 202 21 407 U1 aufgebaut ist. Die genannten Rückkühleinrichtungen benötigen dabei einen großen Luftvolumenstrom. Aus diesem Grund wird in der Vorrichtung gemäß DE 202 21 407 U1 der Luftstrom mit Aerosolen übersättigt, die dann im Wärmeaustauscher den Aggregatzustand ändern und unter Wärmeentzug verdampfen, was zu einer Reduzierung des Luftvolumenstromes führen kann.
Aus dem beschriebenen Stand der Technik ist die Wasseraufnahme der Luft begrenzt durch deren Sättigungszustand. Bei der Vorrichtung nach DE 202 21 407 U1 kann hierbei nicht die Oberfläche des Wärmeaustauschers mit Wasser benetzt werden. Somit ist sie für die Wasserverdunstung nicht nutzbar. Außerdem ist eine Aufteilung oder auch eine Anpassung der Rückkühlleistungen der einzelnen Wärmeaustauscher durch Beimischung von mindestens einem Luftvolumenstrom nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es den Luftvolumenstrom möglichst weit durch Verdunstungskälte vor Eintritt in den ersten Wärmeaustauscher abzukühlen und während des weiteren Verlaufs der Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik die Luft erneut durch Verdunstungskälte vor Eintritt in den mindestens einen weiteren Wärmeaustauscher abzukühlen und die Wärmeaustauscherfläche ebenfalls durch befeuchten der Wärmeaustauscheroberfläche für den Energieentzug zu nutzen.
Die Lösung der Aufgabe gestaltet sich in einem Verfahren nach den Merkmalen von Anspruch 1 und in einer Vorrichtung nach den Merkmalen von Anspruch 2.
Dabei wird zur Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen mit einem mehrstufigen Verfahren der Luftbefeuchtung und Benetzung der Wärmeaustauscherfläche mit Wasser, indem die Luft vor Eintritt in den ersten Wärmeaustauscher durch Verdunstungskühlung abgekühlt wird, anschließend die Luft durch mindestens einen weiteren Wärmeaustauscher erneut erwärmt und danach entzieht die Wärmeaustauscheroberfläche durch Benetzung mit Wasser ebenfalls dem Wärmeträger oder dem Arbeitsstoff weitere Energie. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Luft vom ersten Wärmeaustauscher soweit erwärmt wird, dass die Lufttemperatur nach dem ersten Wärmeaustauscher höher ist als die Luftansaugtemperatur der ersten Luftbefeuchtungseinrichtung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich nach Anspruch 2 durch Beimischung von mindestens einem weiteren Luftvolumenstrom nach dem ersten beziehungsweise weiteren Wärmeaustauschern.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich nach Anspruch 3 durch Schaltung des Wärmeträgerstromes in Reihe nach dem Gegenstromprinzip. Der Wärmeträger tritt dabei in die Rückkühleinrichtung beim in Luftrichtung letzten Wärmeaustauscher ein, durchströmt dann jeden weiteren in Reihe geschalteten Wärmeaustauscher und verlässt die Rückkühleinrichtung beim Lufteintritt des ersten Wärmeaustauschers.
Die Erfindung gestaltet sich in bevorzugter Bauweise durch eine Anreihung von Wärmeaustauschern und Befeuchtungseinrichtungen in einem Luftvolumenstrom der durch einen Kanal geführt wird. Zur Leistungssteigerung und Regelung der Energieabgabe einzelner Wärmeaustauscher können in bevorzugter Weise ein oder mehrere Luftvolumenströme beigemischt werden können.
Die Ausgestaltung des Verfahrens kann gemäß den jeweils vorliegenden Erfordernissen nachfolgend angepasst werden:

1. In Luftrichtung angeordnet einen Luftbefeuchter für die Verdunstungskühlung, anschließend ein Wärmeaustauscher, ein Luftbefeuchter für die Verdunstungskühlung die und eine Vorrichtung zur Benetzung des nachfolgenden Wärmeaustauschers mit Wasser.
2. In Luftrichtung angeordnet einen Luftbefeuchter für die Verdunstungskühlung, eine Vorrichtung zur Benetzung des nachfolgenden Wärmeaustauschers mit Wasser, anschließend ein Wärmeaustauscher, ein Luftbefeuchter für die Verdunstungskühlung die und eine Vorrichtung zur Benetzung des nachfolgenden Wärmeaustauschers mit Wasser.
3. Eine Anordnung in Luftrichtung von mindestens drei Luftbefeuchtungseinrichtungen und mindestens drei Wärmeaustauschern sowie mindestens eine Vorrichtung zur Benetzung eines nachfolgenden Wärmeaustauschers mit Wasser.
4. Eine Anordnung in Luftrichtung von mindestens zwei Luftbefeuchtungseinrichtungen und mindestens zwei Wärmeaustauschern sowie mindestens einer Vorrichtung zur Benetzung eines nachfolgenden Wärmeaustauschers mit Wasser sowie mindestens eine Vorrichtung zur Beimischung eines Luftvolumenstroms nach dem ersten Wärmeaustauscher zur Regelung der Leistung des nachfolgenden Wärmeaustauschers.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen unter anderem in den im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Wirkungen:

a) Der Luftvolumenstrom wird vermindert
b) Die Leistungsaufnahme der Ventilatoren zur Förderung der Luft wird vermindert
c) Es können verschiedene Wärmeträger in einer Vorrichtung gekühlt werden, so kann zum Beispiel der erste Wärmeaustauscher für die freie Kühlung des Wärmeträgers eines Flüssigkeitskühlers genutzt werden und der zweite Wärmeaustauscher um die Kondensationsenergie der Verdichter abzuführen.
d) Die Temperaturspreizung des Wärmeträgers kann bei der Gegenstromanordnung größer ausgelegt werden, damit verringern sich die Volumenströme des Wärmeträgers und die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpen wird verringert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zeichnerischen Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Befeuchtern, zwei Wärmeaustauschern und einer Benetzungsvorrichtung,
2 eine erfindungsgemäße Anordnung nach 1 mit einer Verbindung zwischen den Wärmeaustauschern im Gegenstromprinzip,
3 eine erfindungsgemäße Anordnung nach 1 mit zwei Benetzungsvorrichtungen,
4 eine erfindungsgemäße Anordnung nach 2 mit drei Befeuchtern, drei Wärmeaustauschern und zwei Benetzungsvorrichtungen,
5 eine erfindungsgemäße Anordnung nach 3 mit einer Verbindung 6 zwischen den Wärmeaustauschern im Gegenstromprinzip mit einem Flüssigkeitskühler mit freier Kühlung,
6 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Beimischung eines Luftvolumenstromes,
7 einen beispielhaften Verlauf des Luftzustands in einer Vorrichtung nach 1 in einem H, x Diagramm,
8 eine Ausführungsform der Erfindung mit paralleler Anordnung der Wärmetauscher und
9 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem geschlossenen Kühlturm.
In 1 ist die bevorzugte Anordnung mit zwei Befeuchtern 1 und 3, zwei Wärmeaustauschern 2 und 5 und einer Benetzungsvorrichtung 4 dargestellt.
In 2 ist die bevorzugte Anordnung mit zwei Befeuchtern 1 und 3, zwei Wärmeaustauschern 2 und 5, einer Benetzungsvorrichtung 4 und einer verbindenden Rohrleitung 6 zwischen den Wärmeaustauschern 2 und 5 in einer Schaltung nach dem Gegenstromprinzip dargestellt.
In 3 ist die bevorzugte Anordnung mit zwei Befeuchtern 1 und 3, zwei Wärmeaustauschern 2 und 5 zwei Benetzungsvorrichtungen 4 und 9 dargestellt.
In 4 ist die bevorzugte Anordnung mit drei Befeuchtern 1, 3 und 7, drei Wärmeaustauschern 2, 5 und 8, zwei Benetzungsvorrichtungen 4 und 9 sowie einer verbindenden Rohrleitung 6 zwischen den Wärmeaustauschern 2 und 5 in einer Schaltung nach dem Gegenstromprinzip dargestellt.
In 5 ist die bevorzugte Anordnung mit zwei Befeuchtern 1 und 3, zwei Wärmeaustauschern 2 und 5, zwei Benetzungsvorrichtungen 4 und 9 sowie einer verbindenden Rohrleitung 6 zwischen den Wärmeaustauschern 2 und 5 in einer Schaltung nach dem Gegenstromprinzip dargestellt. Diese Anordnung ist für den Betrieb eines Flüssigkeitskühlers mit freier Kühlung konzipiert.
Hierbei durchströmt der Wärmeträger (Fluid 1) zur Ableitung der Kondensationsenergie bei warmen Luftansaugtemperaturen den Wärmeaustauscher 5, die Rohrleitung 6, ein Ventil 13, den Wärmeaustauscher 2 und ein Ventil 12. Ein Ventil 10, ein Ventil 11 und ein Ventil 15 sind hier geschlossen. Der zu kühlende Wärmeträger (Fluid 2) durchströmt ein Ventil 14 wird vom Flüssigkeitskühler gekühlt und tritt über eine Rohrleitung 16 wieder aus.
Wenn die Luftansaugtemperatur am Eintritt des Wärmeaustauschers 2 niedriger als die Eintrittstemperatur von Fluid 2 ist wird mit dem Wärmeaustauscher 2 das Fluid 2 vorgekühlt, es erfolgt die sogenannte freie Kühlung. Hierzu werden die Ventile 14, 13 und 12 geschlossen und Ventile 11 und 15 geöffnet. Die Kondensationsenergie wird über den Wärmeaustauscher 5 abgeführt, indem das Ventil 10 geöffnet wird.
In 6 ist eine bevorzugte Anordnung zur Beimischung eines Luftvolumenstromes dargestellt. Dabei sind folgende Einrichtungen dargestellt:
Bezugszeichenliste

1: Luftbefeuchtungseinrichtungen für die Verdunstungskühlung
2: Wärmeaustauscher
3: Luftbefeuchtungseinrichtungen für die Verdunstungskühlung
4: Benetzungsvorrichtungen für die Oberfläche des Wärmeaustauschers
5: Wärmeaustauscher
6: Verbindungsrohr zur Gegenstromschaltung der Wärmeaustauscher
7: Luftbefeuchtungseinrichtungen für die Verdunstungskühlung
8: Wärmeaustauscher
9: Benetzungsvorrichtungen für die Oberfläche des Wärmeaustauschers
10: Ventil
11: Ventil
12: Ventil
13: Ventil
14: Ventil
15: Ventil
16: Austritt des vom Flüssigkeitskühler zu kühlende Wärmeträger (Fluid 2)
17: Vorrichtung zur Beimischung eines Luftvolumenstromes

In 7 ist der beispielhafte Verlauf des Luftzustands von 1 in einem H, x Diagramm dargestellt. Dabei werden folgende Punkte als Prozesszustände im Diagramm erreicht:
Bezugszeichenliste

1: Luftzustand am Eintritt der Luftbefeuchtungseinrichtung 1 für die Verdunstungskühlung
2: Luftzustand am Austritt der Luftbefeuchtungseinrichtung 1 für die Verdunstungskühlung
3: Luftzustand am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 2
4: Luftzustand am Austritt der Luftbefeuchtungseinrichtung 3 für die Verdunstungskühlung
5: Luftzustand am Austritt des Wärmeaustauschers 5

Erfindungsgemäß wird hierbei der Verlauf von Punkt 4 nach Punkt 5 abgeflacht und zu höheren Feuchtewerten der Luft bei niedriger Temperatur hin verlagert. Dies wirkt sich direkt in einer Verminderung des erforderlichen Luftvolumenstroms aus.
In 8 ist die bevorzugte Anordnung mit zwei Befeuchtern 1 und 3, zwei Wärmeaustauschern 2 und 5, zwei Benetzungsvorrichtungen 4 und 9 sowie verbindenden Rohrleitung 6 zwischen den Wärmeaustauschern 2 und 5 in einer Schaltung im Parallelbetrieb dargestellt. Diese Anordnung ist für den Betrieb eines Flüssigkeitskühlers für hohe Energieabgabe an den Luftvolumenstrom konzipiert. Mit Wärmeaustauscher 2 wird die Luft erwärmt, damit diese nach dem Wärmeaustauscher wiederum mehr Wasser aufnehmen kann.
In 9 ist ein geschlossener Kühlturm dargestellt mit standardmäßigem Wärmeaustauscher welcher mit Wasser berieselt wird und somit die Energie aus dem Wärmeträger oder Arbeitsstoff aus der Kältetechnik. Oberhalb der Berieselungsanlage ist erfindungsgemäß ein zusätzlicher Wärmeaustauscher angeordnet (In 4 als Wärmeaustauscher 2 dargestellt). Darüber folgt erfindungsgemäß die Befeuchtungseinrichtung und nachfolgend erfindungsgemäß ein weiterer Wärmeaustauscher (In 4 als Wärmeaustauscher 2 dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20221407 U1 [0003, 0003, 0003, 0004]
DE 10140279 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Verringerung des Luftvolumenstromes bei der Rückkühlung von Wärmeträgern und Arbeitsstoffen aus der Kältetechnik, mit mindesten einem Luftkanal, mindestens einem Wärmeaustauscher (8, 2) und einem diesem vorgeschalteten Befeuchter (1, 7), wobei der Befeuchter (1, 7) ein Aerosol in dem Luftvolumenstrom vor dem nachgeschalteten Wärmeaustauscher (8, 2) erzeugt welches im Luftvolumenstrom verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Wärmeaustauscher (8, 2) austretende Luftvolumenstrom erneut angefeuchtet wird und mindestens einem weiteren Wärmeaustauscher (2, 5) zugeleitet wird und dass zur Steigerung der Kühlwirkung mittels wenigstens einer Benetzungsvorrichtung (4, 9) eine direkte Befeuchtung der Oberfläche des Wärmeaustauschers (2, 5) erfolgt und dass die Verdunstung der Oberflächenbenetzung im Wärmeaustauscher (2, 5) erfolgt und die Feuchte mittels des Luftvolumenstroms aus dem Wärmetauscher transportiert wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit mindesten einem Luftkanal, einem Wärmeaustauscher (8, 2) und einem Befeuchter (7, 1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem ersten Wärmeaustauscher (8, 2) ein zweiter Wärmeaustauscher (5; 2, 5) im Luftkanal nachgeordnet ist und dass mindestens einem ersten Wärmeaustauscher (8, 2) nachgeschaltet ein Befeuchter (3; 1, 3) für die Verdunstungskühlung und dass mindestens einem Befeuchter (3; 1, 3) eine Vorrichtung (4: 9, 4) zur Benetzung der Oberfläche des nachgeschalteten zweiten Wärmeaustauschers (5; 2, 5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer Vorrichtung (17) zur Beimischung mindestens eines Luftvolumenstroms in den Luftkanal frühestens nach dem ersten Wärmeaustauscher (2) zur Regelung der Leistung des nachfolgenden Wärmeaustauschers (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 zu parallelen Verschaltung der Wärmeaustauscher (2, 5) so dass die Kondensationsenergie einer Kältemaschine auf mindestens zwei Wärmeaustauscher (2, 5) im Luftvolumenstrom gleichmäßig oder geregelt verteil wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 mit einer Einrichtung (6) zur Verschaltung des Wärmeträgerdurchflusses nach dem Gegenstromprinzip durch mindestens zwei Wärmeaustauscher (5, 2).
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5 mit einer Einrichtung (6) zur mit Verschaltung des Wärmeträgerdurchflusses nach dem Gegenstromprinzip von beliebig vielen Wärmeaustauschern.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6 mit einer Einrichtung (6, 16) zur Verschaltung des Wärmeträgerdurchflusses für die wechselweise Durchströmung der Wärmeaustauscher (2, 5) zur Ableitung der Kondensationsenergie eines Flüssigkeitskühlers oder zur Durchströmung der Wärmeaustauscher (2, 5) für den vom Flüssigkeitskühler zu kühlenden Wärmeträger.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7 mit einer Einrichtung (6, 16) zur Verschaltung des Wärmeträgerdurchflusses für die wechselweise Durchströmung der Wärmeaustauscher (2, 5) zur Ableitung der Kondensationsenergie eines Flüssigkeitskühlers oder Durchströmung der Wärmeaustauscher (2, 5) für den Wärmeträger eines Kreislaufverbundsystems.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit einer Einrichtung zur mit Verschaltung der Wärmeträgerdurchflusses mittels Dreiwegeventilen (10 bis 15).
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9 mit geregelten Luftbefeuchtungseinrichtungen (8, 1, 3) für die Verdunstungskühlung
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9 mit geregelten Benetzungsvorrichtungen (9, 4) für die Oberfläche des Wärmeaustauschers (2, 5).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 zu parallelen Verschaltung der Wärmeaustauscher so dass die Kondensationsenergie einer Kältemaschine auf mindestens zwei Wärmeaustauscher im Luftvolumenstrom gleichmäßig oder geregelt verteil wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 in einem geschlossenen Kühlturm mit einer mindestens einem Wärmeaustauscher (3, 4, 5) und einem diesem vorgeschalteten Befeuchter nach dem Standard-Wärmeübertrager des geschlossenen Kühlturms
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 in einem Hybridkühlturm mit einer mindestens einem Wärmeaustauscher (3, 4, 5) und einem diesem vorgeschalteten Befeuchter nach dem Standard-Wärmeübertrager des geschlossenen Kühlturms