DE102011107013A1

DE102011107013A1 - Kühleinrichtung für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE102011107013A1
Application number: DE102011107013A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Theobald; Thomas Wolfanger
Original assignee: Hydac Cooling GmbH
Current assignee: Hydac Cooling GmbH
Priority date: 2011-07-09
Filing date: 2011-07-09
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013007342A1

Abstract

Eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm (3) drehbar angeordnetem Maschinenhaus (1) und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher (9), der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher (9) an einer Stelle (19) angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes (3) resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm drehbar angeordnetem Maschinenhaus und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher, der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist.
In den im Maschinenhaus befindlichen Aggregaten, wie Getriebe, Generatoren usw., fallen im Betrieb Verluste an, so dass für eine Abfuhr von Verlustwärme an die Umgebung Sorge getragen werden muss. Im Stand der Technik sind hierfür Kühleinrichtungen vorgesehen, die in einem Kreislauf ein Kühlmedium an betreffenden Wärmequellen vorbeiführen und einen oder mehrere Wärmetauscher besitzen, denen Ventilatoren vor- oder nachgesetzt sind, um einen entsprechenden Durchstrom von Kühlluft zu erzeugen. In Windenergieanlagen ergibt sich betriebsbedingt zusätzlich die Möglichkeit, die herrschende Windströmung, deren Stärke mit der Erzeugung von Verlustwärme korreliert, zum Durchströmen von Wärmetauschern zu nutzen und somit die Effektivität des Kühlsystems zu verbessern. Dementsprechend ist es Stand der Technik, einen oder mehrere Wärmetauscher an der Außenseite des Maschinenhauses anzuordnen, so dass er, ohne dass aktive Mittel wie Gebläse erforderlich sind, von Kühlluft durchströmbar ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Kühleinrichtung für Windenergieanlagen zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine weiter verbesserte Energiebilanz auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Kühleinrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher an einer Stelle angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist. Diese Anordnung des Wärmetauschers nutzt den Umstand aus, dass der Turm bei der üblichen, rohrförmigen Gestalt wie ein kreiszylindrischer Körper umströmt wird, wobei sich zu beiden Seiten einer den Staubereich bildenden, durch die Rotorachse definierten Vertikalebene, am Umfang des Turmes Strömungsbereiche stark beschleunigter Strömung ergeben. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung eines oder mehrerer Wärmetauscher derart, dass er sich zumindest teilweise in einem solchen Strömungsbereich befindet, führt zu einer verbesserten Durchströmung und damit verstärkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft. Dank der so verbesserten Kühlwirkung können zusätzliche, aktive Mittel zur Verstärkung der Luftströmung mit geringerer Leistung benutzt werden oder ganz in Wegfall kommen, so dass insgesamt eine Verbesserung der Energiebilanz erreicht wird.
Vorteilhafterweise ist der jeweilige Wärmetauscher benachbart zu der äußeren Oberfläche des Turmes angeordnet, so dass er sich großteils innerhalb des Bereichs der am stärksten beschleunigten Strömung befindet.
Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass der jeweilige Wärmetauscher unterhalb des Maschinenhauses in einer Ebene angeordnet ist, die zu der der Achsrichtung des Rotors entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht oder in einem Winkel hierzu geneigt ist. Der Bereich beschleunigter Strömung wird dadurch optimal für die Durchströmung des jeweiligen Wärmetauscher genutzt.
In besonders vorteilhafter Weise kann beidseits des Turmes zumindest ein Wärmetauscher angeordnet sein, der vorzugsweise unmittelbar an der Unterseite des Maschinenhauses befestigt ist.
Ungeachtet der durch die beschleunigte Strömung erreichten Verbesserung des Wärmeüberganges kann dem jeweiligen Wärmetauscher zusätzlich eine Einrichtung zur Strömungsführung und/oder -aufbereitung zugeordnet sein.
In vorteilhafter Weise können diesbezüglich am jeweiligen Wärmetauscher eine oder mehrere Strömungsleitflächen vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann ein dem jeweiligen Wärmetauscher vor- oder nachgesetzter Ventilator als aktiver Strömungsverstärker zugeordnet sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
1 eine stark vereinfacht gezeichnete, skizzenhafte Darstellung lediglich des dem Maschinenhaus benachbarten oberen Teils einer Windenergieanlage mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, gesehen auf eine Seite des Maschinenhauses;
2 eine der 1 entsprechend vereinfachte Darstellung, gesehen auf die Stirnseite des Maschinenhauses und
3 eine diagrammartige Darstellung des Strömungsbildes der den Turm der Windanlage umströmenden Luft, wobei Beispiele der erfindungsgemäßen Anordnung von Wärmetauschern eingezeichnet sind.
Die 1 und 2 zeigen in vereinfachter, skizzenhafter Darstellung den oberen Teil einer Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus 1, das in der üblichen Weise auf einem Turm 3 drehbar angeordnet ist, so dass sich die Drehachse 5 des Rotors 7 auf die Hauptwindrichtung einstellen kann. Von einem Kühlkreislauf, der zur Kühlung von Aggregaten vorgesehen ist, die sich im Inneren des Maschinenhauses 1 befinden und während des Betriebs Verlustwärme erzeugen, sind in den Figuren lediglich äußere Wärmetauscher 9 dargestellt, während der übrige, im Maschinenhaus 1 befindliche Kühlkreislauf, ebenso wie die im Maschinenhaus 1 befindlichen Aggregate nicht dargestellt sind, da diese Komponenten sämtlich dem Stand der Technik entsprechen können. Bei dem vorliegenden Beispiel sind zwei Wärmetauscher 9 mit der Unterseite 11 des Maschinenhauses 1 so verbunden, dass sie sich beidseits neben dem Turm 3 befinden, wobei, wie aus 2 entnehmbar ist, die Wärmetauscher 9 zu der äußeren Oberfläche 13 des Turmes 3 eng benachbart sind.
3 veranschaulicht das Strömungsbild bei der Umströmung eines stationären Kreiszylinders, wie er vorliegend durch den Turm 3 der Windenergieanlage verkörpert ist. Die in 3 nur teilweise bezifferten Stromlinien 15 verlaufen vor Erreichen des Turmes 3 zueinander parallel, d. h. mit über das Strömungsfeld gleicher Strömungsgeschwindigkeit. Bei Annäherung an den an der Vorderseite des Turmes 3 befindlichen Staubereich 17 erfolgt durch den Verdrängungseffekt des Turmes 3 das Zusammenrücken der Stromlinien 15, was bei Unterschallströmungen eine Beschleunigung der Strömung zur Folge hat. Beidseits des Turmes 3 bilden sich somit Kontraktionsbereiche 19 beträchtlich erhöhter Strömungsgeschwindigkeit. Im Nachlauf hinter dem Turm 3 bildet sich eine Turbulenzzone 21 mit Ablösewirbeln.
Erfindungsgemäß sind die Wärmetauscher 9 so angeordnet, dass sie innerhalb der beschleunigten Kontraktionsbereiche 19 gelegen sind. Die 3 zeigt im oberen Teil einen Wärmetauscher 9, der innerhalb einer Ebene 23 angeordnet ist, die zu der der Achse 5 des Rotors 7 entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht ist. An der unteren Seite der 3 ist ein demgegenüber abgewandeltes Beispiel dargestellt, bei dem sich der Wärmetauscher 9 in einer gegenüber der Ebene 23 um einen, vorzugsweise kleinen Winkel α geneigten Ebene befindet. Zusätzlich sind bei dieser Variante Einrichtungen zur Strömungsführung sowie zur Strömungsaufbereitung dem Wärmetauscher 9 zugeordnet. Für die Strömungsführung weist der Wärmetauscher 9, der in der Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet sein kann, innere Führungslamellen 25 (lediglich je eine in 3 beziffert) auf. Am äußeren Rand des Wärmetauschers 9 kann zudem eine Strömungsleitfläche 27 vorgesehen sein, die sich, wie beispielhaft in 3 gezeigt, entgegen der Hauptwindrichtung erstreckt und die Strömung zusätzlich intensiviert. Die 3 zeigt weiterhin, dass als Einrichtung zur aktiven Strömungsaufbereitung ein Ventilator 29 oder mehrere Ventilatoren dem unteren Wärmetauscher 9 vorgesetzt oder nachgesetzt sein können. Ein solcher oder solche kann bzw. können zusätzlich zu den Lamellen 25 und/oder der Leitfläche 27 oder alternativ hierzu vorgesehen sein. Entsprechende Einrichtungen zur Strömungsführung und -aufbereitung können auch an dem in 3 oben liegenden Wärmetauscher 9 vorgesehen sein. In jedem Fall führt die erfindungsgemäße Anordnung einer oder mehrerer Wärmetauscher 9 in einem Bereich, in dem die Geometrie des Turmes 3 eine Konzentration der Stromlinien 15 der Luftströmung verursacht, so dass eine Zone beschleunigter Strömung entsteht, zu einer Verbesserung der Wärmeabgabe des betreffenden Wärmetauschers 9 an die Umgebungsluft. Ferner können andere Wärmetauscherbauarten je nach Bedarfsfall zum Einsatz kommen.

Claims

Kühleinrichtung für Windenergieanlagen mit auf einem Turm (3) drehbar angeordnetem Maschinenhaus (1) und mit mindestens einem mit diesem verbundenen Wärmetauscher (9), der Bestandteil eines Kühlkreislaufs ist und für eine Wärmeabgabe an die Umgebung der äußeren Luftströmung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein der äußeren Luftströmung ausgesetzter Wärmetauscher (9) an einer Stelle (19) angeordnet ist, an der die Luftströmung durch die aus der Geometrie des Turmes (3) resultierende Verdrängungswirkung beschleunigt ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wärmetauscher (9) benachbart zu der äußeren Oberfläche (13) des Turmes (3) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wärmetauscher (9) unterhalb des Maschinenhauses (1) in einer Ebene (23) angeordnet ist, die zu der der Achsrichtung (5) des Rotors (7) entsprechenden Hauptwindrichtung senkrecht oder in einem Winkel (α) geneigt ist.
Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits des Turmes (3) zumindest je ein Wärmetauscher (9) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen Wärmetauscher (9) eine Einrichtung zur Strömungsführung (27) und/oder -Aufbereitung (29) zugeordnet ist.
Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am jeweiligen Wärmetauscher (9) Strömungsleitflächen (27) vorgesehen sind.
Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am jeweiligen Wärmetauscher (9) mindestens ein vor- und/oder nachgesetzter (29) Ventilator angeordnet ist.