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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für einen windumströmbaren Körper, wie eine Gondel einer Windenergieanlage, wobei zumindest ein Wärmetauscher mittels einer Halteeinrichtung mit dem Körper verbunden ist und der Wärmetauscher mindestens eine erste Durchströmfläche für Luft bildet.
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Bei bekannten Windenergieanlagen wird auf einem Turm eine drehbare Gondel angeordnet, an der über eine Nabe ein Rotor befestigt ist. Die Energie des Windes wird vom Rotor, gegebenenfalls über ein Getriebe, zu einem Generator geführt, in dem Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
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In den Aggregaten der Gondel, wie Getriebe, Generator, Bremse, 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 Kühlkreislauf ein Kühlmedium an den betreffenden Wärmequellen vorbeiführen und einen oder mehrere Wärmetauscher besitzen, denen Lüfter 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 der Gondel anzuordnen, so dass diese von Kühlluft durchströmbar sind, ohne dass aktive Mittel, wie Gebläse, erforderlich sind. Eine solche Anordnung von Wärmetauschern unterhalb der Gondel wurde von der Anmelderin bereits in der
DE 10 2011 107 013 vorgeschlagen.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die an der Gondel befestigten Wärmetauscher einen sehr großen Windwiderstand darstellen, so dass sich Verwirbelungen vor dem Wärmetauscher bilden und der Wind um den Wärmetauscher herum abgelenkt wird, was dazu führt, dass der Wärmetauscher nur sehr schwach von Wind durchströmt wird. Dementsprechend ist die Kühlleistung gering.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Wärmetauscheranordnung für einen windumströmbaren Körper aufzuzeigen, die sich durch eine weiter verbesserte Energiebilanz auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauscheranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß ist neben oder in der ersten Durchströmfläche des Wärmetauschers mindestens eine weitere Durchströmfläche vorhanden, deren freier Querschnitt durch eine Begrenzungseinrichtung begrenzt ist, derart, dass etwaige im Bereich der ersten Durchströmfläche auftretende Verwirbelungen oder sonstige Hemmnisse bei der Durchströmung des Wärmetauschers vermieden oder zumindest reduziert sind. Ein größerer Anteil des Windes, der bisher insbesondere durch die Verwirbelungen abgelenkt und außen um den Wärmetauscher herumgeführt wurde, strömt nunmehr mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Wärmetauscher und bewirkt eine effektivere Kühlung des im Wärmetauscher zirkulierenden Kühlmediums. Mithin wird durch die mindestens eine weitere Durchströmfläche die Kühlleistung der Wärmetauscheranordnung vorteilhaft erhöht, weil die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeübergang an den Lamellen des Wärmetauschers erhöht ist.
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Besonders vorteilhaft liegen die jeweiligen Durchströmflächen in einer gemeinsamen Ebene, nehmen zueinander einen vorgebbaren Winkel ein oder Teile der ersten Durchströmfläche sind mit einem vorgebbaren Winkel zueinander angeordnet. Durch die spezielle Anordnung der ersten Durchströmfläche(n) des Wärmetauschers relativ zu den weiteren Durchströmflächen bzw. zur Windrichtung wird die Durchströmung des Wärmetauschers zusätzlich verbessert.
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Zweckmäßigerweise begrenzt die Begrenzungseinrichtung die jeweilige Durchströmfläche zumindest an einer Seite durch den jeweiligen Wärmetauscher und auf der gegenüberliegenden Seite oder einer benachbart angrenzenden Seite durch die Halteeinrichtung und/oder durch den windumströmbaren Körper. Insbesondere dann, wenn eine weitere Durchströmfläche zwischen dem Wärmetauscher und dem windumströmbaren Körper vorgesehen ist, werden die Verwirbelungen vor und hinter dem Wärmetauscher stark reduziert. Der Wind kann nun an zwei gegenüberliegenden Seiten am Wärmetauscher vorbeigeführt werden, so dass sich der Staudruck an der Oberfläche des Wärmetauschers für dessen bessere Durchströmung erhöht und der Wärmetauscher gleichmäßiger vom Wind durchströmt wird.
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Weiterhin können innerhalb der jeweiligen weiteren Durchströmfläche oder im Bereich derselben Strömungsleitkörper angeordnet sein, die bevorzugt einen weitgehend laminaren Strömungsverlauf der durchströmenden Luft durch diese weitere Durchströmfläche gewährleisten. Ein Beispiel für einen solchen Strömungsleitkörper wäre ein Profil, das am Wärmetauscher angeordnet ist. Das Profil kann vorzugsweise aerodynamisch optimiert sein, um dem Wind einen möglichst geringen Widerstand entgegen zu setzen. Hierzu kann das Profil abgerundete Kanten oder eine glatte Oberfläche aufweisen, beziehungsweise eine Verengung der weiteren Durchströmfläche bewirken.
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Die Summe aller ersten Durchströmflächen kann größer als die Summe der weiteren Durchströmflächen sein. Dies gewährleistet, dass der zumindest eine Wärmetauscher eine ausreichend große Dimensionierung erfährt.
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Die Halteeinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus Rahmenteilen, die den Wärmetauscher an mindestens einer Seite gegenüber einer Außenseite des windumströmbaren Körpers derart aufständern, dass die weitere Durchströmfläche zwischen dieser Außenseite und dem Wärmetauscher, bevorzugt einer Unterseite des Wärmetauschers, zumindest teilweise gebildet ist. Die Rahmenteile, die zum Schutz des Wärmetauschers zumindest teilweise auch eine Art Abdeckung bilden, können dabei auch aus einer einfachen Wand bestehen, die an der Außenseite des windumströmbaren Körpers befestigt ist. Die Wärmetauscher sind vorzugsweise auf der Oberseite des windumströmbaren Körpers angeordnet, da dort die Windgeschwindigkeit am höchsten ist. Der Wärmetauscher kann ein Platten-, Rippenplatten- oder Rippenwärmetauscher sein.
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Sind mehrere Wärmetauscher an der Windenergieanlage angeordnet, so ist es vorteilhaft, wenn zwischen zwei Wärmetauschern eine weitere Durchströmfläche vorgesehen ist. Auf diese Weise wird der Wärmetauscher an mehreren Seiten von Wind umströmt. Die Verwirbelungen werden somit noch weitgehender reduziert. Auch kann bei entsprechender Fluidführung des zu kühlenden Mediums innerhalb des Wärmetauschers dessen Kühlfläche, vorzugsweise mittig vollständig von der weiteren Durchströmfläche durchbrochen sein.
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Bevorzugt sind stromauf und/oder stromab der ersten Durchströmfläche weitere Windführungseinrichtungen vorgesehen. Die Windführungseinrichtungen bewirken eine Ausrichtung oder Fokussierung des Windes auf die erste Durchströmfläche des Wärmetauschers. Mithin wird durch diese Maßnahme die Windgeschwindigkeit an der Oberfläche des Wärmetauschers erhöht, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung an einer Gondel einer Windenergieanlage;
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2A, 2B die Anströmung einer Wärmetauscheranordnung ohne und mit einer weiteren Durchströmfläche;
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3A, 3B die Windströmung hinter einer Wärmetauscheranordnung ohne und mit einer weiteren Durchströmfläche;
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4 eine graphische Darstellung der flächenspezifischen Kühlleistung durch die weitere Durchströmfläche bei gleicher Anströmung;
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5A, 5B eine Wärmetauscheranordnung mit einer weiteren Durchströmfläche und den Strömungsverlauf des Windes bei Anströmung dieser Wärmetauscheranordnung;
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6A, 6B eine Wärmetauscheranordnung mit zwei beabstandet angeordneten Wärmetauschern und eine Darstellung des Strömungsverlaufs;
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7 die Wärmetauscheranordnung der 5A in einer Seitenansicht;
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8A, 8B Wärmetauscheranordnungen mit geneigten Wärmetauschern;
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9A, 9B Wärmetauscher mit zwei um einen Winkel versetzten Teilflächen;
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10 eine Wärmetauscheranordnung mit zusätzlichen Umström- und Leitkörpern im An- und Abstrom, direkt oder indirekt angrenzend an die Wärmetauscheranordnung;
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11 eine Darstellung einer Gondel einer Windenergieanlage mit einem in einem Wärmetauschergehäuse angeordneten Wärmetauscher; und
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12A, 12B zwei Wärmetauscheranordnungen mit drei in Formationen angeordneten Wärmetauschern.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung 1 für einen windumströmbaren Körper 3 gezeigt. Der Körper 3 weist eine Außenseite 5 auf, wobei seitlich am Körper 3 wenigstens ein Wärmetauscher 7 angeordnet ist, der eine erste Durchströmfläche 8 für Wind bildet. Bei dem windumströmbaren Körper 3 handelt es sich um eine Gondel 9 einer Windenergieanlage 11, die auf einem Turm 13 drehbar befestigt ist. Der Turm 13 ist in 1 nur andeutungsweise wiedergegeben; in der Realität entspricht der Turmdurchmesser in diesem Bereich in etwa dem doppelten Durchmesser des Rotorblattwurzeldurchmessers. Auf der Vorderseite ist an der Gondel 9 eine Nabe 14 befestigt, die einen Rotor 16 trägt. Auf der Oberseite 15 der Gondel 9 sind im hinteren Teil insgesamt fünf Wärmetauscher 7 beabstandet voneinander angeordnet. Zwischen der Außenseite 5 der Gondel 9 und den Wärmetauschern 7 sind weitere Durchströmflächen 17, die den zwischen der Oberseite 5 und der Unterseite der Wärmetauscher 7 gemessenen Abstand D haben, zur Erhöhung der Winddurchströmung der Wärmetauscher 7 vorgesehen.
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Die 2 bis 4 veranschaulichen den Effekt der weiteren Durchströmflächen 17. In 2A ist ein Wärmetauscher 7 direkt an einer Außenseite 5 eines windumströmbaren Körpers 3 befestigt. Der Wärmetauscher 7 weist einen erheblich vergrößerten Windwiderstand auf. Deshalb bilden sich vor dem Wärmetauscher 7 Verwirbelungen 19. Durch die Verwirbelungen 19 wird anströmender Wind 21 um den Wärmetauscher 7 außen herum abgelenkt. Wird nun eine weitere Durchströmfläche 17 zwischen der Außenseite 5 des windumströmbaren Körpers 3 und dem Wärmetauscher 7 vorgesehen (siehe 2B), so wird der Wärmetauscher 7 an zwei Seiten 23, 25 vom Wind 21 umströmt. Auf diese Weise verringern sich die Verwirbelungen 19 vor dem Wärmetauscher 7, so dass auch mehr Wind 21 durch den Wärmetauscher 7 selbst hindurchströmen kann.
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In 3A ist die Windströmung hinter einem Wärmetauscher 7 gezeigt. Man sieht, dass es bei einem massiven Wärmetauscher 7 zu einer erheblichen Strömungsablösung kommt, so dass sich große Ablösewirbel 27 hinter dem Wärmetauscher 7 bilden. Wird nun zwischen zwei Wärmetauschern 7, die nebeneinander oder übereinander angeordnet sein können, eine weitere Durchströmfläche 33 vorgesehen (siehe 3B), so verringern sich die Ablösewirbel 27 hinter dem Wärmetauscher 7. Mithin kann der Wind 21 leichter durch die Wärmetauscher 7 strömen.
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In den 2B und 3B liegen die Durchströmflächen 8, 17 in einer Ebene 26.
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Die Steigerung der flächenspezifischen Kühlleistung bei als konstant angenommener Windgeschwindigkeit vWind ist anhand der 4 ersichtlich. Bei einer Anordnung von einem Wärmetauscher 7 mit einer weiteren Durchströmfläche 17, 33 (Kurve B) ist die Kühlleistung gegenüber einem Wärmetauscher 7 ohne weitere Durchströmfläche 17, 33 (Kurve A) erheblich vergrößert. Diese Vergrößerung der Kühlleistung kann auch dazu genutzt werden, um die Größe des Wärmetauschers 7 zu reduzieren. Daher können bei Wärmetauscheranordnungen 1 mit weiteren Durchströmflächen 17 kleinere, leichtere und kostengünstigere Wärmetauscher 7 verbaut werden.
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In den 5A und 7 ist ein Wärmetauscher 7 dargestellt, der von einem windumströmbaren Körper 3 bzw. dessen Außenseite 5 durch eine weitere Durchströmfläche 17 beabstandet ist. Der Wärmetauscher 7 ist an einer Seite 28 durch eine Halteeinrichtung 29 gestützt, so dass die weitere Durchströmfläche 17 an der Unterseite 25 des Wärmetauschers 7 ausgebildet ist. Durch die Außenseite 5 des windumströmbaren Körpers 3, den Wärmetauscher 7 und die Halteeinrichtung 29 ist die Begrenzungseinrichtung 30 gebildet, welche diese weitere Durchströmfläche 17 begrenzt. Anhand der Strömungsdarstellung (5B) kann man sehen, dass sich vor dem Wärmetauscher 7 fast keine Verwirbelungen ausbilden, so dass der Wärmetauscher 7 von einem hohen Staudruck beaufschlagt ist und dementsprechend von einer größeren Masse Wind 21 durchströmt wird.
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In der 6A ist ausschnittsweise eine Anordnung 31 gezeigt, bei der zwei nebeneinander angeordnete Wärmetauscher 7 von einer Außenseite 5 eines windumströmbaren Körpers 3 durch weitere Durchströmflächen 17 beabstandet angeordnet sind. Zwischen den Wärmetauschern 7 ist ebenfalls eine weitere Durchströmfläche 33 vorgesehen. Der Wärmetauscher 7, der ganz in der Figur zu sehen ist, ist durch eine Halteeinrichtung 29, gebildet durch einen Rahmenteil 34 in Form einer seitlichen Wand, gehalten. In diesem Fall ist die die weiteren Durchströmflächen 17, 33 begrenzende Begrenzungseinrichtung 30 durch die Außenseite 5 des windumströmbaren Körpers 3, die beiden Wärmetauscher 7 und die Halteeinrichtung 29 gebildet. Am Strömungsbild (5B) kann man sehen, dass der Wind 21 fast ohne Verwirbelungen auf den Wärmetauscher 7 zuströmt und um ihn herumströmt.
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Die dem Wind 21 zugewandte Seite 37 des Wärmetauschers 7, die die erste Durchströmfläche 8 bildet, kann zudem gegenüber der Windrichtung 39 bzw. der weiteren Durchströmfläche 17 um einen Winkel α geneigt sein, wie dies in 8A und 8B gezeigt ist. Der Winkel α kann positiv oder negativ sein.
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Der Wärmetauscher 7 der 9A und 9B weist eine erste Durchströmfläche 8 mit zwei um einen Winkel β versetzten Teilflächen 41, 43 auf der windzugewandten Seite 37 auf. Der Winkel β kann positiv oder negativ sein.
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In 10 ist eine Wärmetauscheranordnung 1 gezeigt, bei der im Anstrom 44 und Abstrom 45 Strömungsleitkörper 35a–35d in Form von Platten oder Blechen vorgesehen sind. Die Strömungsleitkörper 35a, 35b im Anstrom 44 sind beabstandet vom Wärmetauscher 7 platziert, wobei die äußeren Strömungsleitkörper 35a in Richtung auf die Seiten 23, 25 des Wärmetauschers 7 ausgerichtet sind, um den anströmenden Wind 21 in Richtung des Wärmetauschers 7 zu kanalisieren. Im Abstrom 45 sind die äußeren Strömungsleitkörper 35c an die Seiten 23, 25 angrenzend und schräg nach oben bzw. unten abstehend angeordnet. Dies bewirkt eine Ausweitung des Raumes 46 hinter dem Wärmetauscher 7 für den durch den Wärmetauscher 7 strömenden Wind 21. Der im Abstrom 45 mittig angeordnete Strömungsleitkörper 35d ist beabstandet vom Wärmetauscher 7 angeordnet. Die 11 zeigt in einer aufgeschnittenen Darstellung eine Gondel 9 einer Windenergieanlage 11. Die Gondel 9 ist auf einem Turm 13 drehbar befestigt. An einer Nabe 49 ist ein Rotor 51 drehbar montiert. Der Rotor 51 weist drei Flügel 53 auf. Die Windenergie wird somit im Betrieb in Rotationsenergie umgewandelt und die Rotation der Nabe 49 wird in einem Übersetzungsgetriebe 55 in eine höhere Drehzahl einer Generatorwelle 57 übersetzt. In einem Generator 59 wird die Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Sollte der Wind zu stark sein, kann der Rotor 51 durch eine Bremse 61 an der Nabe 49 abgebremst werden. An den Lagern der Wellen 49, 57, der Bremse 61, dem Getriebe 55 und dem Generator 59 kann Verlustwärme anfallen, die durch einen Kühlkreislauf 63 abgeführt wird. Der Kühlkreislauf 63 weist einen in einem Wärmetauschergehäuse 67 angeordneten Wärmetauscher 7 auf der eine Außenseite bildenden Oberseite 15 der Gondel 9 auf. Der Wärmetauscher 7 bildet eine erste Durchströmfläche 8 und ist von der Oberseite 15 der Gondel durch eine weitere Durchströmfläche 17 beabstandet. In den Öffnungen 69 des Wärmetauschergehäuses 67 sind stromauf und stromab des Wärmetauschers 7 Windführungseinrichtungen 71 angeordnet.
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Die 12A (in einer Seitenansicht) und die 12B (in einer Draufsicht) zeigen zwei Wärmetauscheranordnungen 73, 75 mit drei Wärmetauschern 77, 79, 81, wobei zwei Wärmetauscher 77, 79 in einer Ebene 83 und beabstandet voneinander angeordnet sind. Der dritte Wärmetauscher 81 ist jeweils im Bereich des Abstands A zwischen den Wärmetauschern 77, 79, aber stromabwärts versetzt platziert. Die Länge L des Wärmetauschers 81 ist hier jeweils gleich groß wie der Abstand A. Die Länge L kann aber auch größer oder kleiner als der Abstand A sein. Der anströmende Wind 21 kann daher durch die Durchströmfläche 33 zwischen den vorderen Wärmetauschern 77, 79 hindurch und dann durch den hinteren Wärmetauscher 81 oder außen um den hinteren Wärmetauscher 81 herumströmen. In der 12A ist darüber hinaus zwischen der Oberseite 5 des windumströmten Körpers 3 und dem angrenzenden Wärmetauscher 79 eine weitere Durchströmfläche 17 vorgesehen.
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Es wurde gezeigt, dass durch die erfindungsgemäßen weiteren Durchströmflächen 17 insbesondere zwischen der Außenseite 5 eines windumströmbaren Körpers 3 und einem Wärmetauscher 7 die Durchströmung des Wärmetauschers 7 verbessert wird. Auf diese Weise können kleinere Wärmetauscher 7 verbaut werden, wenn die gleiche Kühlleistung erzielt werden soll. Es können auch mehrere Wärmetauscher 7 nebeneinander auf, unter oder an einer Gondel 9 durch weitere Durchströmflächen 33 voneinander beabstandet angeordnet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergibt sich mithin eine verbesserte Kühleffizienz des Gesamtsystems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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