DE102012018627A1

DE102012018627A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Luftkühlers in einer lüftungstechnischen Anlage

Info

Publication number: DE102012018627A1
Application number: DE201210018627
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-27
Also published as: DE102012018627A8

Abstract

Über einen zusätzlichen Temperaturfühler am Kühlmediumaustritt (Rücklauf) eines Luftkühlers wird verhindert, dass der Kühlmediumvolumenstrom einen bestimmen Größenbereich über- oder unterschreitet. Eine Überschreitung würde die Absenkung der Rücklauftemperatur bewirken und zu einer Wirkungsgradverschlechterung der Kältemaschine und zu einer erhöhten Pumpenleistung bei der Verteilung des Kühlmediums führen. Eine Unterschreitung führt zu einer inhomogenen Lufttemperaturverteilung im raumlufttechnischen Gerät mit negativen Folgen für die Regelgüte. Zusätzlich können Folgen von Regelabweichungen durch Messfehler im Luftstrom der lüftungstechnischen Anlage gemindert werden.

Description

Stand der Technik
In lüftungstechnischen Anlagen werden Vorrichtungen zur Kühlung und Entfeuchtung von Luft (im Folgenden: Kühler) eingesetzt, die vorzugsweise aus lamellierten Wärmeübertragern (1) bestehen. Die Luft (2) strömt dabei an den durch ein Kühlmedium (z. B. Wasser oder Wasser/Frostschutzmittelgemisch) gekühlten Oberflächen der Lamellen entlang und kühlt sich dabei ab. Wird auf der Oberfläche zusätzlich die sogenannte Taupunkttemperatur unterschritten, schlägt sich die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit in Form von Wasser nieder. Die Luft wird dabei gekühlt und entfeuchtet (getrocknet).
Die Zustandsänderung der Luft wird maßgeblich durch die Konstruktion des Wärmeübertragers und die Temperatur der Oberflächen und damit der Temperatur des Kühlmediums bestimmt.
In der Praxis sind zwei technische Ausführungen verbreitet, die eine Leistungsregelung des Kühlers ermöglichen: Durch Veränderung der Kühlmediumeintrittstemperatur (beimischgeregelter Kühler) oder durch Veränderung des Kühlmediumvolumenstroms bei gleichbleibender Kühlmediumtemperatur (Mengenregelung). Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche hydraulische Anbindungen des Kühlers, die auch unterschiedliche Zustandsänderungen der Luft beim Durchströmen des Kühlers hervorrufen.
In der DE 10 2009 007 591 B3 werden diese bekannten Verfahren vorteilhaft verknüpft. Durch gleichzeitige Regelung von Kühlmediumeintrittstemperatur und Kühlmediumvolumenstrom kann die Zustandsänderung energetisch günstig beeinflusst werden. Merkmal dieser Schrift ist, dass der Zusammenhang aus Kühlmediumeintrittstemperatur und Kühlmediumvolumenstrom mit Hilfe einer Regeleinrichtung geregelt und optimiert wird. Der Kühlmediumvolumenstrom kann durch Drehzahländerung an einer drehzahlgeregelten Pumpe (5) und/oder durch Betätigung eines Ventils (6) verändert werden.
Offenbarung der Erfindung
Entsprechend der Zustandsänderung der Luft und dem Regelzustand der Anlage ergibt sich am Kühler auch eine Kühlmediumaustrittstemperatur (7) (Rücklauftemperatur), die sich automatisch in einstellt. Diese weicht in der Regel von der Nennauslegungstemperatur mehr oder weniger ab. Typische Auslegungstemperaturen für die Kühlmediumtemperaturen betragen 6°C im Eintritt (Vorlauf) (8) und 12°C im Austritt (Rücklauf). Die Vorlauftemperatur (8) ist dabei nicht gleich der Kühlmediumeintrittstemperatur (3) sobald das Ventil nicht zu 100% geöffnet ist. Die Temperatur des Rücklaufs ändert sich jedoch nach Austritt aus dem Kühler nicht mehr.
Die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf liegt deshalb bei ca. 6 K, weil die Kältemaschine zur Erzeugung der erforderlichen Kälte bei dieser Temperaturdifferenz optimal arbeitet und eine saubere Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels (nicht zu verwechseln mit dem Kühlmedium) im Verdampfer der Kältemaschine gewährleistet.
Reduziert sich diese Temperaturdifferenz (durch eine sinkende Rücklauftemperatur bei gleichbleibender Vorlauftemperatur), verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Kältemaschine, da dann auf einer tieferen Temperatur verdampft werden muss. Pro Kelvin tieferer Verdampfungstemperatur sinkt der Wirkungsgrad der Kältemaschine um bis zu 3%. Umgekehrt kann bei höherer Rücklauftemperatur und höherer Temperaturdifferenz der Wirkungsgrad der Kältemaschine unter Umständen verbessert werden. Dieser Vorgang stellt sich von selbst ein und muss in der Kältemaschine nicht separat regelungstechnisch überwacht werden.
Desweiteren wird das Kühlmedium oft über große Entfernungen in Rohrleitungen oder Netzwerken z. B. auf einem Werksgelände verteilt. Die dafür erforderliche Pumpenenergie ist abhängig vom umgewälzten Kühlmediumvolumenstrom. Je kleiner die Temperaturdifferenz, desto höher ist der umgewälzte Kühlmediumvolumenstrom, um die gleiche Kühlleistung zu übertragen. Die Energieaufwendung für die Verteilung des Mediums in Kältenetzwerken liegt oft in einer ähnlichen Größenordnung wie die Kühlenergie selbst.
Insbesondere bei zu knapp dimensionierten Kühlern (was in der Praxis aus Kostengründen leider die Regel ist) besteht die Gefahr, dass die Rücklauftemperatur bei zu großem Kühlmediumvolumenstrom immer weiter sinkt. Trotz voll geöffneten Regelventilen und maximaler Durchströmung kann die erforderliche Entfeuchtung dann nicht erreicht werden. Die Rücklauftemperatur sinkt dann um bis zu 3 K ab und verschlechtert damit den Wirkungsgrad der ganzen Kälteversorgung. Die umgewälzte Kühlmediummenge wird entsprechend um ca. 20–40% größer als erforderlich.
Ein größerer Kühlmediumvolumenstrom bei noch kleinerer Temperaturdifferenz bringt aber für die gewünschte Zustandsänderung der Luft nur noch marginale Vorteile und steht in keinem Verhältnis zum zusätzlichen Energieverlust.
Insbesondere ist bei der Kühlung und Entfeuchtung die Gefahr groß, dass über Fehler bei Temperatur- und Feuchtemessung im Luftstrom (z. B. durch ungenaue oder ungünstig angeordnete Messfühler) eine unnötig große Kühlung oder Entfeuchtung stattfindet, die schon bei kleinen Abweichungen zu deutlich erhöhtem Energiebedarf führen kann.
Ein weiterer Effekt stellt sich ein, wenn besonders kleine Kühlleistungen im Teillastzustand der lüftungstechnischen Anlage übertragen werden müssen. Hier wird nur eine kleine Menge des Kühlmediums benötigt. Daraus resultiert u. U. eine ungleichmäßige mediumseitige Durchströmung des Kühlers und die Zustandsänderung der durchströmenden Luft wird inhomogen. Es kommt im Luftstrom zu einer sogenannten Schichtung. Diese kann negative Auswirkungen auf die Regelung der Lüftungsanlage haben oder bei der Luftverteilung im Gebäude zu Zonen unterschiedlicher Temperatur führen.
Sinnvoll ist deshalb die Rücklauftemperatur des Kühlmediums messtechnisch zu überwachen und zu begrenzen. Dies ist mit einem zusätzlichen Temperaturfühler (9) leicht möglich. Die ohnehin erforderliche Regeleinrichtung kann diese Aufgabe ohne Zusatzkosten mit übernehmen.
Sinnvoll ist außerdem die den Kühler durchströmende Kühlmediummenge zu überwachen und ggf. zu begrenzen. Auch dies kann über die ohnehin erforderliche Regeleinrichtung ohne Zusatzkosten leicht erreicht werden. Ein Maß für eine zu kleine Durchströmung ist eine große Temperaturdifferenz zwischen Kühlmediumein- und -austrittstemperatur bei gleichzeitig geöffnetem Regelventil. Alternativ kann die Kühlmediummenge auch über eine zusätzliche Durchflussmesseinrichtung (10) ermittelt werden.
Über einen zusätzlichen Temperaturfühler am Kühlmediumaustritt (Rücklauf) eines Luftkühlers wird verhindert, dass der Kühlmediumvolumenstrom einen bestimmen Größenbereich über- oder unterschreitet. Eine Überschreitung würde die Absenkung der Rücklauftemperatur bewirken und zu einer Wirkungsgradverschlechterung der Kältemaschine und zu einer erhöhten Pumpenleistung bei der Verteilung des Kühlmediums führen. Eine Unterschreitung führt zu einer inhomogenen Lufttemperaturverteilung am Austritt des Kühlers mit negativen Folgen für die Regelgüte. Zusätzlich können Folgen von Regelabweichungen durch Messfehler im Luftstrom der lüftungstechnischen Anlage gemindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die 1 beschreibt eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bezugszeichen (1) beschreibt den Luftkühler, der in einer raumlufttechnischen Anlage angeordnet ist. (2) beschreibt den Luftstrom durch den Kühler mit Ein- und Austritt. Mit (3) und (7) ist die Ein- und Austrittstemperatur des Kühlmediums am Kühler gekennzeichnet. (4) ist die Regeleinrichtung, die die Drehzahl der Pumpe (5) und die Stellung eines Ventils (6) als Stellgrößen verändert. (8) ist die Eintrittstemperatur des Kühlmediums aus der angeschlossenen Kältemaschine oder des Kaltwassernetzes. (9) ist der erfindungsgemäße Temperaturfühler zur Überwachung der Kühlmediumtemperatur am Austritt des Kühlers. (10) ist ein optionales Durchflussmessgerät, (11) ein optionaler Temperaturfühler am Kühlmediumeintritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009007591 B3 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Luftkühlers (1) in einer lüftungstechnischen Anlage, bei dem mittels eines Kühlmediums eine gewünschte Zustandsänderung eines Luftstroms (2) erzielt wird, wobei das Kühlmedium mit einer bestimmten Kühlmediumeintrittstemperatur (3) dem Luftkühler (1) zugeführt wird und den Luftkühler (1) mit einer bestimmten Kühlmediumaustrittstemperatur (7) wieder verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumaustrittstemperatur (7) messtechnisch überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumaustrittstemperatur (7) einen Minimalgrenzwert nicht unterschreitet, insbesondere um den Wirkungsgrad einer Kältemaschine zur Kühlung des Kühlmediums zu optimieren, und/oder die Kühlmediumaustrittstemperatur (7) einen Maximalgrenzwert nicht überschreitet, damit eine Schichtung im Luftstrom (2) verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumeintrittstemperatur (3) und/oder der Kühlmediumvolumenstrom als Parameter zur Regelung der Zustandsänderung des Luftstroms (2) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Zustandsänderung des Luftstroms (2) verändert oder unterbrochen wird, wenn der Minimal- oder Maximalgrenzwert der Kühlmediumaustrittstemperatur (7) erreicht wird.
Vorrichtung zum Betreiben eines Luftkühlers (1) in einer lüftungstechnischen Anlage, mit einem Luftkühler (1), der mittels einer Pumpe (5) von einem – vorzugsweise flüssigem – Kühlmedium durchströmt wird, und mit einer Regelschaltung zum Regeln der Zustandsänderung des Luftstroms (2), wobei zur Überwachung der Kühlmediumaustrittstemperatur (7) ein Temperatursensor (9) angeordnet ist, der insbesondere als Temperaturfühler ausgebildet ist, der im Kühlmediumstrom des austretenden Kühlmediums angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (5) als drehzahlgeregelte Pumpe (5) ausgebildet ist, und/oder der Kühlmediumaustritt mittels eines Regelventils (6) mit dem Kühlmediumeintritt verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung die Überwachung der Kühlmediumaustrittstemperatur (7) mit übernimmt, und in Abhängigkeit der gemessenen Kühlmediumaustrittstemperatur (7) Einfluss auf die drehzahlgeregelte Pumpe (5) und/oder das Regelventil ausübt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung in der Regeleinrichtung der Pumpe (5) und/oder in der Regeleinrichtung des Regelventilantriebs integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmedium ein Durchflussmessgerät () zur Messung des Kühlmediumvolumenstroms angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auch in einem Vorlauf des Kühlmediums in Fließrichtung vor dem Regelventil () ein weiterer Temperaturfühler (11) angeordnet ist, womit Schwankungen der Vorlauftemperatur (8) gemessen, und die Grenzwerte für die Kühlmediumaustrittstemperatur (7) entsprechend nachgeführt werden können.