DE102012101271A1 - Kühleinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung a) mit einem Kühlkreislaufsystem, das von einem Kühlmittel (K), insbesondere Kühlwasser, durchströmt wird, b) mit 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) wobei der wenigstens eine Rückkühler (6) wenigstens ein Register von ersten Wärmetauscherrohren (10) und zweiten Wärmetauscherrohren (11) und wenigstens ein erstes Sammelrohr (80), das mit dem wenigstens einen Eingang (6A) des Rückkühlers (6) verbunden ist, und wenigstens ein zweites Sammelrohr (90), das mit dem wenigstens einen Ausgang (6B) des Rückkühlers (6) verbunden ist, und wenigstens ein Umlenksammelrohr (195) umfasst, d) wobei die Wärmetauscherrohre (10, 11) vom Kühlmittel K durchströmt oder durchströmbar sind, e) wobei die Eingänge der ersten Wärmetauscherrohre (10) jeweils mit wenigstens einem ersten Sammelrohr (80) verbunden sind und die Ausgänge der zweiten Wärmetauscherrohre (11) jeweils mit wenigstens einem zweiten Sammelrohr (90) verbunden sind und die Ausgänge der ersten Wärmetauscherrohre (10) mit den Eingängen der zweiten Wärmetauscherrohre (11) über wenigstens ein Umlenksammelrohr (195) miteinander verbunden sind, f) wobei die ersten Wärmetauscherrohre (10) und zweiten Wärmetauscherrohre (11) zur Verbesserung der Entleerung des Kühlmittels (K) im Frostschutzbetrieb um einen Neigungswinkel (α), der zwischen 0,1° und 5° beträgt, in Richtung zu den Sammelrohren (80, 90) geneigt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung.
• Die DE 42 34 874 C2 offenbart 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.
• KR 100964564 B offenbart einen Wärmetauscher für eine Luftklimaanlage mit Wärmetauscherrohren, die schlangenförmig oder in Form von Windungen oder Mäandern geformt sind. Um die Wärmetauscherrohre im Fall einer Frostgefahr besser entleeren zu können, sind die Wärmetauscherrohre entlang ihrer Längsrichtung um einen Neigungswinkel geneigt, der etwa 5° beträgt. Hier können aber die Wärmetauscherrohre nicht vollständig entleert werden, da in den Biegungen der Windungen weiterhin das Kühlwasser stehen bleibt. Ferner ermöglicht der Neigungswinkel ebenfalls nicht eine schnelle Entleerung des Wärmetauschers.
• Die US 2011/0016903 A1 beschäftigt sich mit der Entleerung von Verdampfern von Wärmepumpen in Entfrostungszyklen.
• Die US 3,384,165 offenbart einen Wärmetauscher mit in einer V-Form zueinander geneigten Registern mit zueinander parallelen Wärmetauscherrohren.
• Der Erfindung liegt die die Aufgabe zugrunde, eine neue Kühleinrichtung anzugeben.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung hinsichtlich der Kühleinrichtung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
• Die Kühleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 umfasst ein Kühlkreislaufsystem, das von einem Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, durchströmt wird und wenigstens einen von dem Kühlmittel durchströmten oder durchstr römbaren Rückkühler, der in einem zeitweise einfriergefährdeten Bereich angeordnet ist und aus dem in einem Frostschutzbetrieb das Kühlmittel entleerbar ist. Der wenigstens eine Rückkühler weist wenigstens ein Register von ersten Wärmetauscherrohren und zweiten Wärmetauscherrohren und wenigstens ein erstes Sammelrohr, das mit dem wenigstens einen Eingang des Rückkühlers verbunden ist, und wenigstens ein zweites Sammelrohr, das mit dem wenigstens einen Ausgang des Rückkühlers verbunden ist, und wenigstens ein Umlenksammelrohr auf. Die Wärmetauscherrohre sind vom Kühlmittel durchströmt oder durchströmbar. Die Eingänge der ersten Wärmetauscherrohre sind jeweils mit wenigstens einem ersten Sammelrohr verbunden und die Ausgänge der zweiten Wärmetauscherrohre sind jeweils mit wenigstens einem zweiten Sammelrohr verbunden sind. Die Ausgänge der ersten Wärmetauscherrohre sind mit den Eingängen der zweiten Wärmetauscherrohre über wenigstens ein Umlenksammelrohr miteinander verbunden. Die ersten Wärmetauscherrohre und die zweiten Wärmetauscherrohre sind zur Verbesserung der Entleerung des Kühlmittels im Frostschutzbetrieb um einen Neigungswinkel, der zwischen 0,1° und 5° beträgt, in Richtung zu den ersten und zweiten Sammelrohren geneigt.
• Durch diese Kombination von Maßnahmen gemäß der Erfindung wird eine vollständige Entleerung des Rückkühlers im Frostschutzbetrieb ermöglicht.
• Vorzugsweise ist jedes erste Sammelrohr und/oder jedes zweite Sammelrohr und/oder jedes Umlenksammelrohr zur Verbesserung der Entleerung des Kühlmittels im Frostschutzbetrieb um einen Neigungswinkel, der zwischen 0,1° und 5° beträgt, in Richtung zu den Sammelrohren geneigt.
• Bevorzugt beträgt der Neigungswinkel zwischen 1° und 2°.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform sind wenigstens zwei Anordnungen mit ersten Wärmetauscherrohren und zweiten Wärmetauscherrohren und wenigstens zwei erste Sammelrohre, wenigstens zwei zweite Sammelrohre und wenigstens zwei Umlenksammelrohre vorgesehen sind und die Anordnungen jeweils paarweise zueinander unter einem Neigungswinkel zur Horizontalen nach außen voneinander weg geneigt sind, wodurch eine V-förmige Anordnung verwirklicht ist.
• Zweckmäßigerweise ist jedes erste Sammelrohr in einem unteren Bereich an den Eingang des Rückkühlers oder an eine Zuführleitung zum Zuführen des Kühlmittels angeschlossen und/oder ist jedes zweite Sammelrohr in einem unteren Bereich an den Ausgang des Rückkühlers oder an eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels angeschlossen.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest jedes erste Sammelrohr, vorzugsweise auch jedes zweite Sammelrohr, in einem oberen Bereich, insbesondere an der obersten Stelle, mit jeweils einem Enddeckel oder einer Endwand als Prallwand zum Stauen des Kühlmittels bzw. zum teilweisen Umwandeln des dynamischen Fließdruckes in statischen Druckes und/oder zum gleichmäßigen Beaufschlagen der Wärmetauscherrohre der Register mit Kühlmittel versehen.
• Im Allgemeinen sind die Wärmetauscherrohre mit Kühllamellen, die von, vorzugsweise durch Ventilatoren geförderter, Außenluft umströmt werden, thermisch gekoppelt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kühleinrichtung wenigstens einen mit dem Rückkühler hydraulisch verbundenen oder verbindbaren Kühlmittelbehälter mit einem Retentionsvolumen zur Aufnahme von Kühlmittel aus dem Rückkühler beim Entleeren des Rückkühlers im Frostschutzbetrieb auf und ist wenigstens ein mittels des Kühlmittels zu kühlender Verbraucher vorgesehen, der mit dem Kühlmittelbehälter hydraulisch verbunden ist und mit dem Rückkühler hydraulisch verbunden oder verbindbar ist. Außerdem ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen zum Umschalten des Kühlkreislaufes zwischen einem großen Kühlkreislauf mit dem wenigstens einen Rückkühler und einem kleinen Kühlkreislauf ohne den wenigstens einen Rückkühler in dem Frostschutzbetrieb, wobei im großen Kühlkreislauf das Kühlmittel den Rückkühler, den Kühlmittelbehälter und den Verbraucher zyklisch durchströmt und wobei im kleinen Kühlkreislauf das Kühlmittel den Kühlmittelbehälter und den Verbraucher zyklisch durchströmt, nicht jedoch den Rückkühler und wobei der kleine Kühlkreislauf mit Kühlmittelbehälter und Verbraucher in einem einfriersicheren Bereich angeordnet ist.
• Es ist nun vorzugsweise die Zuführleitung zum Zuführen des Kühlmittels mit der Umschalteinrichtung verbunden ist und/oder die Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels mit dem Kühlmittelbehälter verbunden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Umlenksammelrohr, vorzugsweise in einem oberen Bereich und/oder in einem unteren Bereich, mit einer zum Kühlmittelbehälter führenden Ausgleichsleitung zum Gasausgleich mit dem Rückkühler verbunden ist, in der wenigstens ein Ausgleichsventil vorgesehen ist, verbunden ist, insbesondere an einer geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Rückkühlers.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei wird auch auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:
• 1 eine Kühleinrichtung mit Rückkühler und ohne Kältemaschine,
• 2 eine Kühleinrichtung mit Rückkühler und mit Kältemaschine,
• 3 eine Ausführungsform eines Kühlmittelbehälter einer Kühleinrichtung gemäß 1 oder 2,
• 4 eine Ausführungsform eines Rückkühlers einer Kühleinrichtung gemäß 1 oder 2 in einer Vorderansicht,
• 5 den Rückkühler gemäß 4 in einer Rückansicht,
• 6 den Rückkühler gemäß 4 und 5 in einer Seitenansicht,
• 7 den Rückkühler gemäß 4 bis 6 in einer perspektivischen Ansicht,
• 8 einen Teil des Rückkühlers gemäß 4 bis 7 in einer teilweise geschnittenen Draufsicht und
• 9 eine hydraulische Weiche, die in einer Kühleinrichtung gemäß 1 bis 3 eingesetzt werden kann.
• 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 3 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.
• Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zum System gemäß 1 auch eine Kältemaschine 3 mit Verdampfer 10 und Kondensator 11 vorgesehen sowie anstelle der Querleitung 145 eine hydraulische Weiche 9 vorgesehen sowie auch eine Mischeinrichtung 8 vorgesehen. Über einen Kühlmittelauslass 53 am Kühlmittelbereich 12 des Kühlmittelbehälters 1 wird das Kühlmittel K mittels einer ersten Kühlmittelpumpe 2 über eine Leitung 57 einem ersten Eingang 9A der hydraulischen Weiche 9 zugeführt. Ein erster Ausgang 9B der hydraulischen Weiche 9 ist über eine Leitung 91 mit einem Verzweigungspunkt 93 verbunden, an dem sich die Leitung 91 in einen ersten Leitungsstrang 92, in dem eine Kühlmittelpumpe 101 und ein Mischventil 95 vorgesehen sind und der zu einem Eingang des Kondensators 11 der Kältemaschine 3 führt, und einen dazu parallelen zweiten Leitungsstrang 94, in dem eine Kühlmittelpumpe 100 vorgesehen ist und der zu einem Eingang des Verdampfers 10 der Kältemaschine 3 führt, aufzweigt.
• Das in dem ersten Leitungsstrang 92 geschaltete Mischventil 95 ist auch mit einer Zwischenleitung 47 verbunden, die an einem Verzweigungspunkt 46 mit einer Kondensator-Rücklaufleitung 15 zusammentrifft. Die Kondensator-Rücklaufleitung 15 ist mit einem Ausgang des Kondensators 11 verbunden und dient zum Rücklauf des Kühlmittels K vom Kondensator 11 zur hydraulischen Weiche 9. Das Mischventil 95 kann nun je nach Stellung den Verzweigungspunkt 93 mit dem Verzweigungspunkt 46 oder mit dem Eingang des Kondensators 11 oder mit beiden verbinden oder auch die Pumpe 101 und damit den Eingang des Kondensators 11 mit dessen Ausgang über eine Rückführung über die Leitung 15, den Verzweigungspunkt 46 und die Zwischenleitung 47 das Kühlmittel K führen oder auch das Kühlmittel K aus den verschiedenen Leitungszweigen mischen. So kann beispielsweise in einer besonderen Ausführungsform, um die Kältemaschine 3 bei einer möglichst optimalen Kühlwassertemperatur und einem entsprechenden Kältemitteldruck in der Kältemaschine 3 zu betreiben, der Kondensator in einem Kurzschlussbetrieb über das Mischventil 95 und die Zwischenleitung 47 betrieben werden, so dass das Kühlmittel K am Ausgang des Kondensators 11 über die Zwischenleitung 47 von der Pumpe 101 angesaugt wird, wobei das Mischventil 95 zum Verzweigungspunkt 93 hin schließt, so dass sich das Kühlmittel über den Kondensator 11 erwärmt. Sobald die gewünschte Kühlmitteltemperatur erreicht ist, kann das Mischventil 95 teilweise wieder zum Verzweigungspunkt 93 hin zu öffnen und Kühlmittel K, das vom Ausgang 9B der Weiche 9 kommt, zumischen, um die gewünschte Kühlmitteltemperatur zu halten. Wenn das über die Zwischenleitung 47 kommende Kühlmittel K vom Kondensator 11 so stark erwärmt ist, dass es nicht mehr durch das kältere Kühlmittel vom Verzweigungspunkt 93 durch Zumischen abgekühlt werden kann, schließt das Mischventil 95 die Verbindung zur Zwischenleitung 47, so dass dann der Leitungszweig 92 vollständig geöffnet ist und 100 % des strömenden Kühlmittels vom Verzweigungspunkt 93 von der Pumpe 101 zum Kondensator 11 gefördert wird. Diese Funktion des Mischventils 95 unterstützt zusätzlich den Anfahrbetrieb oder in der Anlaufphase.
• Die Bypass-Leitung 47 trifft an einem Verzweigungspunkt 46 mit einer Kondensator-Rücklaufleitung 15 zusammen, die mit einem Ausgang des Kondensators 11 verbunden ist und zum Rücklauf des Kühlmittels K vom Kondensator 11 zur hydraulischen Weiche 9 dient.
• Dazu führt von dem Verzweigungspunkt 46 eine Leitung 45 zu einem Eingang 8B der Mischeinrichtung 8, deren Ausgang 8C über eine Leitung 43 mit einem zweiten Eingang 9C der hydraulischen Weiche 9 verbunden ist. Über den zweiten Leitungsstrang 94 wird Kühlmittel K dem Eingang des Verdampfers 10 der Kältemaschine 3 zugeführt. Der Ausgang des Verdampfers 10 ist mit einem Einlass 40 des Verbrauchers 4 über eine Verbraucher-Vorlaufleitung 7 hydraulisch verbunden. Ein Auslass 41 des Verbrauchers 4 ist hydraulisch über eine Leitung 42 mit einem weiteren Eingang 8A der Mischeinrichtung 8 verbunden. An einen zweiten Ausgang 9D der hydraulischen Weiche 9 ist eine Leitung 44 angeschlossen, in der wieder die weitere Kühlmittelpumpe 5 und der Temperaturfühler 33 zum Messen der Kühlmitteltemperatur T_K5 angeordnet sind und die zu der Umschalteinrichtung 16 führt.
• Die Kältemaschine 3 hat üblicherweise eine integrierte Temperaturregelung derart, dass die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Verdampfers 10 oder die Kühlmitteltemperatur T_K3 am Einlass 40 des Verbrauchers 4 auf einen bestimmten Sollwert eingestellt bleibt, um eine ausreichende Kühlung des Verbrauchers 4 bereitzustellen. Durch die Regelung der Kühlmitteltemperatur T_K2 des Temperaturfühlers 69 am Rückkühler 6 auf den dortigen Sollwert, der an den Sollwert der Kältemaschine angepasst ist, bleibt aber im Normalfall die Kältemaschine 3 ausgeschaltet und der Rückkühler 6 kühlt allein. Wenn also die Kühlleistung des Rückkühlers 6 zur Kühlung des Verbrauchers 4 ausreicht, was in der Regel bei richtiger Auslegung der Fall ist, bleibt die Kältemaschine 3 ausgeschaltet oder in Standby-Betrieb, und das Kühlmittel K durchströmt den Verdampfer 10 wie eine passive Leitung. Das Mischventil 95 ist in dieser Situation geschlossen, wenn die Kältemaschine nicht läuft. Die Zwischenleitung 47 wird zum Mischventil 95 geöffnet und der Teilbereich des Leitungszweigs 92 zum Verzweigungspunkt 93 bleibt geschlossen, so dass in dem kurzen Kreislauf oder dem rückgekoppelten Kreislauf das Kühlmittel K von der Pumpe 101 über den Kondensator 11 gepumpt wird, wie schon beschrieben. Dies ist ein energieeffizienter Freikühlbetrieb.
• In bestimmten Betriebssituationen, z.B. bei dennoch nicht ausreichender Kühlleistung des Rückkühlers 6 in einem Mischbetrieb von Rückkühler 6 und Kältemaschine 3 oder wenn der Rückkühler 6 im Frostschutzbetrieb wegen Frostgefahr aus dem Kreislauf genommen ist, wird die Kältemaschine 3 zugeschaltet, wenn ihr Sollwert für die Kühlmitteltemperatur überschritten wird, und kühlt im Verdampfer 10 das Kühlmittel K ab. Das Umschaltventil 95 wird nun so geschaltet, dass das Kühlmittel K über den Leitungsstrang 92 durch den Kondensator 11 strömt und diesen kühlen kann. Die bei dieser ggf. zusätzlichen Kühlung des Kühlmittels K aus dem Leitungsstrang 94 anfallende Kondensationswärme im Kondensator 11 wird mit dem durch den Kondensator 11 strömenden, aus dem Leitungsstrang 92 stammenden Kühlmittel K über die Rücklaufleitung 15 abgeführt.
• Die besondere Verschaltung der Kältemaschine 3 im Kühlkreislauf gemäß der Erfindung hat einen besonderen, vorteilhaften Effekt beim Frostschutzbetrieb oder Anfahrbetrieb, bei dem der kleine Kreislauf ohne Rückkühler 6 eingestellt ist, und gewährleistet insbesondere die sichere Kühlung des Verbrauchers 4 auch während des Anlauf- oder Aufwärmbetriebes. Die vom Temperaturfühler 69 gemessene Rücklauftemperatur T_K2 des Kühlmittels K hat also ihren vorgegebenen Mindestwert T_min, z.B. von 5 °C oder etwas mehr, unterschritten, der Frostschutzbetrieb wurde initiiert und auf den kleinen Kreislauf umgeschaltet sowie das Entleeren von Rückkühler 6 und zugehörigen Leitungen vorgenommen. Das entsprechend kalte Kühlmittel K wird nun im kleinen Kreislauf umgewälzt und erwärmt sich im Anlaufbetrieb in einer ersten Anlaufphase kontinuierlich aufgrund der Abwärme des Verbrauchers 4.
• Hier wird nun bei der Ausführungsform gemäß 2 mit Kältemaschine 3 im Unterschied zu 1 ohne Kältemaschine 3 das Kühlmittel K, das den Verbraucher 4 durchströmt, nicht, auch nicht kurzfristig, auf den Maximalwert T_max, z.B. zwischen 35 °C und 40 °C, der vom Temperaturfühler 33 gemessene Vorlauftemperatur T_K5 erwärmt. Vielmehr schaltet bei Überschreiten des Sollwertes der Kältemaschine 3 für den Verbraucher 4 die Kältemaschine 3 zu und hält nun in einer zweiten Anlaufphase des Anlaufbetriebes durch Kühlen des Kühlmittels K die Kühlmitteltemperatur T_K3 des durch den Verbraucher 4 geführten Kühlmittels K auf dem gewünschten Sollwert, der unterhalb des Maximalwert T_max liegt, beispielsweise bei 8 °C bis 15 °C im Vergleich zu 35 °C bis 40 °C.
• Die in dieser zweiten Anlaufphase von der Kältemaschine 3 beim im Verdampfer 10 bewirkten Abkühlen des Kühlmittels K erzeugte Abwärme im Kondensator 11 wird nun über das dem Eingang 8B der Mischeinrichtung 8 über die Rücklaufleitung 15 zugeführte Kühlmittel K abgeführt, das in der Mischeinrichtung 8 mit dem vom Verbraucher 4 über die Leitung 42 dem Eingang 8A zugeführten Kühlmittel K vermischt wird und als Kühlmittel K mit einem höheren Temperaturniveau vom Ausgang 8C der Mischeinrichtung 8 dem Eingang 9C der hydraulischen Weiche 9 und von deren Ausgang 9D schließlich über die Leitung 44 unterstützt von der Kühlmittelpumpe 5 zur Umschalteinrichtung 16 und von dort wieder in den Kühlmittelbehälter 1 strömt.
• Dadurch erhöht sich in der Regel die vom Temperaturfühler 33 gemessene Vorlauftemperatur T_K5 des Kühlmittels K vor der Umschalteinrichtung 16 in 2 mit Kältemaschine 3 schneller auf den vorgegebenen Maximalwert T_max als in 1 ohne Kältemaschine 3 und es kann früher vom Frostschutzbetrieb im kleinen Kreislauf wieder in den normalen Betrieb im großen Kreislauf umgeschaltet werden, d.h. die Zeitdauer für den Anlaufbetrieb kann verkürzt werden. Sobald wieder der Rückkühler 6 im großen Kreislauf in Betrieb ist, kann nach entsprechender Zeitdauer aufgrund der Kühlung im Rückkühler 6 die Regelung der vom Temperaturfühler 69 gemessene Rücklauftemperatur T_K2 auf den Sollwert wieder aktiviert werden und die Kühlmitteltemperatur an der Kältemaschine 3 liegt wieder in der Sollbereich, so dass die Kältemaschine 3 wieder abgeschaltet werden kann und nur noch durch den Rückkühler 6 gekühlt wird, bis ggf. wieder die Frostschutzsituation eintritt. Umgekehrt sorgt zunächst im kleine Kreislauf das kalte Kühlmittel K aus dem Kühlmittelbehälter 1 und dann im großen Kreislauf der Rückkühler 6 immer für eine ausreichende Abfuhr der Abwärme der Kältemaschine 3, so dass diese in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.
• Die hydraulische Weiche 9 gemäß 2 bewirkt eine Aufteilung der Volumenströme oder Durchflussmengen an den zwei Eingängen 9A und 9C und den zwei Ausgängen 9B und 9D derart, dass am Eingang 9A und am Ausgang 9D der größere Volumenstrom, bevorzugt ein maximaler Volumenstrom von 100 %, eingestellt wird und am Eingang 9C und am Ausgang 9B ein kleinerer Volumenstrom, z.B. von 90 %, eingestellt wird. Dadurch wird der Volumenstrom des Kühlmittels K im den Kühlmittelbehälter 1 und den Rückkühler 6 umfassenden Teilkreis immer auf 100 % gehalten unabhängig oder autark vom restlichen hydraulischen System. Mittels der hydraulischen Weiche 9 kann also sichergestellt werden, dass stets 100 % Rücklauf zum Rückkühler 6 erreicht wird und dessen Kühlleistung optimal ausgenutzt wird. Angenommen, es dreht jemand den Verbraucher 4 ab, so würde 100 % des aus dem Behälter 1 über die Pumpe 2 und die Leitung 57 zugeführten Kühlwassers K über die hydraulische Weiche 9 zurück über Pumpe 5 und die Umschalteinrichtung 16 entweder über den Rückkühler 6 oder direkt zurück zum Behälter 1 geleitet werden.
• 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche hydraulische Weiche 9. Der Eingang 9A und der Ausgang 9B sind als Anschlussstutzen oder dergleichen ausgebildet und über eine perforierte oder als Sieb ausgebildete Rohrleitung 9E miteinander strömungstechnisch verbunden. Der Eingang 9C ist mit dem Ausgang 9D ebenfalls über eine perforierte oder als Sieb ausgebildete Rohrleitung 9F strömungstechnisch verbunden. Auch hier sind der Eingang 9C und der Ausgang 9D als Rohrstutzen oder Anschlussstutzen ausgebildet. Das vom Eingang 9A durch die Rohrleitung 9E zum Ausgang 9B fließende oder strömende Kühlmittel K strömt durch die Öffnungen in der Rohrleitung 9E in einen Innenraum 9G der hydraulischen Weiche 9 und durch den Innenraum 9G zu den Öffnungen in der Rohrleitung 9F zwischen dem Eingang 9C und dem Ausgang 9D und durch die Öffnungen in die Rohrleitung 9F zum Ausgang 9D. Dadurch wird ein Strömungsvolumenausgleich des Kühlmittels K in der hydraulischen Weiche 9 geschaffen, der einen 100 %igen Volumenstrom des Kühlmittels zwischen Ausgang 9D und Eingang 9A zumindest in der Frostperiode sicherstellt. So können z. B., wie in 9 beispielhaft eingezeichnet, 90 % Kühlmittel vom Ausgang 9B durch den Kühlkreislauf wieder bis zum Eingang 9C strömen und dann mit 10 % Kühlmittel K, das durch den Innenraum 9G in der hydraulischen Weiche 9 direkt zwischen dem Eingang 9A und dem Ausgang 9D fließt, zu den 100 % Kühlmittel K ergänzt werden, die über die Pumpe 5 sowie auch die Pumpe 2 im Rückkühler-Kreislauf über den Rückkühler 6 gepumpt werden. Die direkt zwischen den Rohleitungen 9E und 9F durch den Innenraum 9G fließende Kühlmittelmenge gleicht also immer die fehlende Kühlmittelmenge aus, so dass über den Rückkühler 6 immer die 100 % Kühlmittel fließen. Falls die Pumpen 5 und 2 anders angesteuert werden, ändert sich der absolute Wert, der den 100 % entspricht, jedoch nicht der relative Wert bezogen auf die Kühlmittelmenge zwischen Ausgang 9D und Eingang 9C einerseits und zwischen Eingang 9A und Ausgang 9B andererseits. Die hydraulische Weiche 9 hat außerdem eine Kurzschlussfunktion, denn wenn der Ausgang 9B und der Eingang 9C gesperrt sind, gelangt in den Eingang 9A strömendes Kühlmittel über die perforierten Rohrleitungen 9E und 9F zu 100 % zu dem Ausgang 9D, so dass auch dann der 100 %ige Rückfluss des Kühlmittels zum Rückkühler 6 gewährleistet ist.
• In der vorteilhaften Ausführung des Kühlmittelbehälters 1 gemäß 3 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.
• Aus Energieeffizienzgründen wird der große Kreislauf mit Rückkühler 6 über eine möglichst hohe Betriebszeit betrieben und der Verbraucher 4 nach Möglichkeit nur mit dem Rückkühler 6 oder zumindest in einem Mischbetrieb von Rückkühler 6 und Kältemaschine 3 gekühlt.
• Die 4 bis 8 zeigen teilweise in Ausschnitten ein Ausführungsbeispiel eines Rückkühlers 6 gemäß der Erfindung.
• Der Rückkühler 6 umfasst wenigstens ein Kühlregister. Ein solches Kühlregister ist ein Wärmetauscher für eine effiziente Wärmeabgabe des Kühlmittels K an die Umgebungsluft oder Außenluft L und umfasst üblicherweise eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 10 und 11 für das Kühlmittel K und mit den Wärmetauscherrohren 10 und 11 thermisch gekoppelte Wärmetauscherlamellen oder Kühllamellen 96, die von der Umgebungsluft oder Außenluft L umströmt werden. Zum Fördern der Außenluft L an den Lamellen entlang sind üblicherweise Ventilatoren 71 vorgesehen. Ferner kann das Kühlregister auch noch mit aufbereitetem Wasser benetzt werden, um zusätzlich eine Verdunstungskühlung zu nutzen.
• Der Rückkühler weist zwei nach oben ragende erste Sammelrohre 80 auf, die unter einem Neigungswinkel β bzw. –β zur Horizontalen nach außen voneinander weg geneigt sind, wodurch eine V-förmige Anordnung benachbarter erste Kühlmittelrohre 80 verwirklicht ist. Jeweils zwei erste Sammelrohre 80 einer solchen V-förmigen Anordnung sind in ihren unteren Bereichen über jeweils eine Flanschverbindung 181 mit einem Y-Verbindungsstück verbunden, das wiederum mit der Zuführleitung 38 zum Zuführen des (rückzukühlenden) Kühlmittels K verbunden ist. Die ersten Sammelrohre 80 nehmen also das in den Rückkühler 6 eingangseitig einströmende Kühlmittel K auf.
• Der Rückkühler 6 weist ferner mehrere nach oben ragende zweite Sammelrohre 90 auf, die ebenfalls unter dem Neigungswinkel β bzw. –β zur Horizontalen nach außen voneinander weg geneigt sind, wodurch wiederum eine V-förmige Anordnung erzielt ist, die hier außerhalb der V-förmigen Anordnung der anderen schon erwähnten ersten Sammelrohre 80 angeordnet ist. In ihren unteren Bereichen sind auch wieder jeweils zwei der zweiten Sammelrohre 90 einer entsprechenden V-förmigen Anordnung über jeweils eine Flanschverbindung 191 mit einem Y-Verbindungsstück 192 verbunden, das nun mit der Abführleitung 39 zum Abführen des rückgekühlten Kühlmittels K verbunden ist. Die zweiten Sammelrohre 90 dienen also dem ausgangsseitigen Rückfluss oder Ausströmen des Kühlmittels K aus dem Rückkühler 6.
• Die Neigungswinkel β der Kühlmittelrohre 80 und 90 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel alle (betragsmäßig) gleich, können aber auch differieren. An der obersten Stelle der Sammelrohre 80 und 90 weisen diese jeweils einen Abschluss oder eine Prallwand oder einen Enddeckel 183 bzw. 193 auf zum Stauen des Kühlmittels K. Der dynamische Fließdruck des Kühlmittels K kommt in Fließrichtung in den Kühler über den Einlassstutzen 180, prallt erst an den Enddeckel 183, wo der dynamische Fließdruck teilweise in statischen Druck umgewandelt wird. Das hat zur Folge, dass die Wärmetauscherrohre 10 und 11 gleichmäßig mit Kühlmittel K beaufschlagt werden und somit Frostschäden an sonst schlechter durchströmten Rohren vermieden wird.
• Die Wärmetauscherrohre 10 und 11 sind jeweils parallel zueinander angeordnet und, vorzugsweise in der Anordnung zusammen mit den, vorzugsweise senkrecht zu den Wärmetauscherrohren 10 und 11 angeordneten, Sammelrohren 80, 90 und 195 um einen Neigungswinkel α um die Horizontale geneigt, um eine möglichst gute Entleerung des Rückkühlers 6 für den Frostschutz zu erreichen. Dieser Neigungswinkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1° und 2° oder die Neigung ist etwa in einem Bereich von 1 % bis 4 %. Es hat sich gezeigt, dass sowohl durch die angegebene Untergrenze von 1° als auch durch die angegebene Obergrenze von 2° eine optimale Entleerung ermöglicht wird. Bei größeren wie auch kleineren Winkeln wird die Entleerungsgeschwindigkeit geringer.
• Der Rückkühler 6 gemäß 4 bis 8 weist ein aus zwei Teilen aufgebautes Kühlregister auf, nämlich ein erstes Kühlregisterteil, das aus den Wärmetauscherrohren 10 aufgebaut ist, und ein zweites Kühlregisterteil, das aus den Wärmetauscherrohren 11 aufgebaut wird, wobei die Wärmetauscherrohre 10 des ersten Kühlregisterteils an ihren Ausgängen mit den Eingängen der Wärmetauscherrohre 11 des zweiten Kühlregisterteils über die Sammelrohre 195 verbunden sind und an den Eingängen der Wärmetauscherrohre 10 das Kühlmittel K über die Sammelrohre 80 einströmt und an den Ausgängen der Wärmetauscherrohre 11 das Kühlmittel K über die Sammelrohre 90 wieder ausströmt. Die ganze Anordnung ist in der V-förmigen Anordnung um den Winkel α zur Horizontalen geneigt und die beiden Kühlregisterteile bilden einen Zwei-Pass. Die Außenluft L wird über die Ventilatoren von außen quer oder weitgehend horizontal angesaugt und dann nach oben ausgeblasen, so dass sie die Kühlregister mit einem großen Strömungsquerschnitt durchströmt für eine möglichst gute Wärmeübertragung. Die Sammelrohre 80 bilden also Vorlaufsammelrohre, während die Sammelrohre 90 Rücklaufsammelrohre bilden und die Sammelrohre 195 Zwischenrohre oder Umlenksammelrohre bilden.
• Die Sammelrohre 80 und 90 sind von unten angeschlossen, so dass beim Entleeren das Kühlmittel K restlos abfließen kann. Die Kühlregister sowie alle Leitungen sind mit Gefälle unter dem oder den Neigungswinkel(n) α zu den Stutzen 180 und 190 konstruiert, so dass an keiner Stelle Gegengefälle entsteht. In den in 5 zu sehenden Sammelrohren 195 wird das Kühlmittel K umgelenkt und wieder zu den Auslassstutzen 190 geleitet und dann über die Abführleitung 39 zum Kühlmittelbehälter 1 geleitet.
• Im Entleerfall wird das Ausgleichsventil 35 geöffnet und die Umschalteinrichtung 16 schaltet um auf den kleinen Kreis, also direkt auf den Kühlmittelbehälter 1. Das Kühlmittel K fließt wegen des Gefälles des Registers des Rückkühlers 6 und der Rohrleitungen in den Behälter 1. Das Inertgas der Inertgasvorlage 13 wird aus dem Behälter 1 über die Ausgleichsleitung 14 und das geöffnete Ausgleichsventil 35 in die Sammelrohre 195 gepresst. Das Kühlmittel K tauscht seinen Platz im Rückkühler 6 mit dem Inertgas. Nach eine bestimmten Zeitintervall, z.B. 10 bis 20 Sekunden, öffnet ein Entleerventil 65 und lässt das restliche Kühlmittel K über eine Entleerleitung 85, in der das Entleerventil 65 angeordnet ist, in die Ausgleichsleitung 14 fließen und durch diese wiederum in den Kühlmittelbehälter 1.
• 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.
• 4. adiabatische Kühlung durch Benetzung des Rückkühlers möglich
• 5. die Kältemaschine steht möglichst lange und somit werden erhebliche Betriebskosten eingespart.
• 6. alle Rückkühler können ausschließlich auf den Kühlmittelbehälter arbeiten und müssen somit keiner Kältemaschine zugeordnet sein, wodurch besonders einfach eine redundante oder doppelte Rohrleitungsführung mit hoher Redundanz des Kühlsystems möglich ist, insbesondere ein System gemäß dem Standard TIR 4
• Die Kühlmittelpumpen, der Kühlmittelbehälter, ein Großteil des Rohr- oder Leitungsnetzes, die Kältemaschine sowie die Verbraucher befinden sich im frostfreien Bereich. Nur der Rückkühler und ein Teil der Rohrleitungen, die den Rückkühler mit dem hydraulischen Netz verbinden, sind im Frostbereich. Der Rückkühler kann bei tieferen Außentemperaturen zur freien Kühlung verwendet werden, bei dieser Anwendung kommt man zur vollen Entfaltung des Energiesparpotentials. Das Prozesswasser oder Kühlmittel kann ohne hydraulische Trennung von der Sekundärseite in den Rückkühler fließen und dabei die Wärme an die Außenluft abgeben, selbst bei Außentemperaturen bis –30 °C, ohne zu gefrieren, insbesondere da immer 100 % Kühlmittelvolumenstrom über den jeweiligen Rückkühler geleitet wird. Sind jetzt bei tiefen Außentemperaturen die Austrittstemperaturen des Rückkühlers unter +5 °C, ist es notwendig, diesen Rückkühler zu entleeren, indem die Steuerung das Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, nicht mehr über die Rückkühler in den Behälter leitet, sondern direkt das Kühlmittel in den Funktionsbehälter leitet sowie verschiedene Ventile sich öffnen, damit das Inertgas-, insbesondere Stickstoffpolster, das sich im oberen Teil des Kühlmittelbehälters befindet, sich im Wechsel mit dem Kühlmittel in den Rückkühler verlagert, so dass sich kein Kühlmittel, insbesondere Wasser, mehr im Rückkühler sich befindet, das gefrieren kann. Das Entleeren der Rückkühler sowie das Verlagern des Stickstoffes geschieht im Sekundenbereich, und stell auch somit sicher, dass kein Wasser zurückbleibt, das gefriert. Steigt nun die Eingangstemperatur vor der Umschalteinrichtung, insbesondere m 3-Wege-Ventil, auf eine bestimmte "Start"-Temperatur, wird wieder der Weg zur Rückkühlung des Kühlwassers über den Rückkühler gelegt, selbst bei Außentemperaturen bis –30 °C. Das ganze Entleeren sowie das Befüllen der Rückkühler geht fast "unbemerkt" von statten. Da sich die Verbraucherpumpen immer auch dem Kühlmittelbehälter ihres Kühlwassers bedienen, bekommen sie es vom Volumenstrom her „nicht mit“, ob sie das Wasser über den Rückkühler oder direkt in den Behälter arbeiten, da im Behälter immer 100 % Wasservorlage für das hydraulische Netz zur Verfügung steht. Die Rückkühler können bereits bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und Prozesswasser in Freikühlbetrieb gehen. Je höher die benötigte Prozesswassertemperatur, desto früher ist es möglich in Freikühlbetrieb zu gehen. Das bedeutet, je länger die Rückkühler im Freikühlbetrieb sich befinden, desto länger steht die Kältemaschine, die meist elektrisch angetrieben wird, was dann erhebliche Kosten einspart.
• Selbst bei Temperaturgleichstand zwischen Außentemperatur und Prozesswassertemperatur ist es beim Rückkühler, der als Hybridkühler verwendet wird, möglich, anhand von Benetzung der Kühlerflächen die adiabatische Kühlung der verdunsteten Wasser zu nutzen, um das Prozesswasser um weitere 2–3 K abzukühlen, so dass selbst bei Außentemperaturen gleich oder sogar 1–2 K über der Sollwerttemperatur des Prozesswassers freie Kühlung gefahren werden kann.
• In der Übergangsphase, z. B. im Frühjahr oder Herbst bei niedrigen Temperaturen, fährt das System im Mischbetrieb, das heißt der Vorteil der freien Kühlung wird bis zu seiner physikalischen Grenze genutzt, lediglich die verbleibende Differenz wird parallel dazu mit einer oder mehreren Kältemaschinen abgedeckt. Selbst im Mischbetrieb werden Energiekosten eingespart, indem die Kältemaschine mit geringerer Leistung fährt als Systeme ohne Mischbetrieb.
• Falls an heißen Tagen wie im Hochsommer keine freie Kühlung mehr genutzt werden kann, arbeitet das Kühlsystem übergangslos als reine Kältemaschinenrückkühlung, aber auch hier werden erhebliche Betriebskosten gespart, indem die Kältemaschinen durch die Auslegung der Rückkühler in ihrem Betriebspunkt arbeiten können. Der Kältemaschinendruck wird konstant gehalten auf Betriebsdruck, dadurch erhält man einen geringeren Maschinenverschleiß, geringere Wartungskosten sowie effizient arbeitende Kältemaschinen.
• 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

3

Kältemaschine

4

Verbraucher

5

Kühlmittelpumpe

6

Rückkühler

6A

Einlass des Rückkühlers

6B

Auslass des Rückkühlers

6C, 6D

Anschluss

7

Verbraucher-Vorlaufleitung

8

Mischeinrichtung

8A, 8B

Eingang

8C

Ausgang

10, 11

Wärmetauscherrohre

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

46

Verzweigungspunkt

47

Zwischenleitung

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

80

Sammelrohr

85

Entleerleitung

90

Sammelrohr

91

Leitung

92

Leitungsstrang

93

Verzweigungspunkt

94

Leitungsstrang

95

Mischventil

96

Kühllamellen

100

Kühlmittelpumpe

101

Kühlmittelpumpe

110, 111

Querrohr

145

Querleitung

180

Einlassstutzen

181

Flanschverbindung

182

Y-Verbindungsstück

183

Enddeckel

190

Auslassstutzen

191

Flanschverbindung

192

Y-Verbindungsstück

193

Enddeckel

194

T-Verbindungsstück

195

Umlenk- oder Zwischenrohr

196

Flanschverbindung

197

Y-Verbindungsstück

A

Außenbereich

I

Innenbereich

G

Inertgas

L

Außenluft

K

Kühlmittel

T_K1 bis T_K5

Kühlmitteltemperatur

T_A

Außentemperatur

p_G

Ausgleichsdruck

p_H

geodätischer Druck

α, β

Neigungswinkel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 4234874 C2 [0002, 0003, 0004]
• KR 100964564 B [0005]
• US 2011/0016903 A1 [0006]
• US 3384165 [0007]

Claims (10)

1. Kühleinrichtung a) mit einem Kühlkreislaufsystem, das von einem Kühlmittel (K), insbesondere Kühlwasser, durchströmt wird, b) mit 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) wobei der wenigstens eine Rückkühler (6) wenigstens ein Register von ersten Wärmetauscherrohren (10) und zweiten Wärmetauscherrohren (11) und wenigstens ein erstes Sammelrohr (80), das mit dem wenigstens einen Eingang (6A) des Rückkühlers (6) verbunden ist, und wenigstens ein zweites Sammelrohr (90), das mit dem wenigstens einen Ausgang (6B) des Rückkühlers (6) verbunden ist, und wenigstens ein Umlenksammelrohr (195) umfasst, d) wobei die Wärmetauscherrohre (10, 11) vom Kühlmittel K durchströmt oder durchströmbar sind, e) wobei die Eingänge der ersten Wärmetauscherrohre (10) jeweils mit wenigstens einem ersten Sammelrohr (80) verbunden sind und die Ausgänge der zweiten Wärmetauscherrohre (11) jeweils mit wenigstens einem zweiten Sammelrohr (90) verbunden sind und die Ausgänge der ersten Wärmetauscherrohre (10) mit den Eingängen der zweiten Wärmetauscherrohre (11) über wenigstens ein Umlenksammelrohr (195) miteinander verbunden sind, f) wobei die ersten Wärmetauscherrohre (10) und zweiten Wärmetauscherrohre (11) zur Verbesserung der Entleerung des Kühlmittels (K) im Frostschutzbetrieb um einen Neigungswinkel (α), der zwischen 0,1° und 5° beträgt, in Richtung zu den Sammelrohren (80, 90) geneigt sind.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes erste Sammelrohr (80) und/oder jedes zweite Sammelrohr (90) und/oder jedes Umlenksammelrohr (195) zur Verbesserung der Entleerung des Kühlmittels (K) im Frostschutzbetrieb um einen Neigungswinkel (α), der zwischen 0,1° und 5° beträgt, in Richtung zu den Sammelrohren (80, 90) geneigt sind.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Neigungswinkel (α) zwischen 1° und 2° beträgt.
4. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens zwei Anordnungen mit ersten Wärmetauscherrohren (10) und zweiten Wärmetauscherrohren (11) und wenigstens zwei erste Sammelrohre (80), wenigstens zwei zweite Sammelrohre (90) und wenigstens zwei Umlenksammelrohre (195) vorgesehen sind und die Anordnungen jeweils paarweise zueinander unter einem Neigungswinkel (β bzw. –β) zur Horizontalen nach außen voneinander weg geneigt sind, wodurch eine V-förmige Anordnung verwirklicht ist.
5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes erste Sammelrohr (80) in einem unteren Bereich an den Eingang (6A) des Rückkühlers (6) oder an eine Zuführleitung (38) zum Zuführen des Kühlmittels (K) und/oder bei der jedes zweite Sammelrohr (80) in einem unteren Bereich an den Ausgang (6B) des Rückkühlers (6) oder an eine Abführleitung (39) zum Abführen des Kühlmittels (K) angeschlossen ist.
6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest jedes erste Sammelrohr (80), vorzugsweise auch jedes zweite Sammelrohr (90), in einem oberen Bereich, insbesondere an der obersten Stelle, jeweils einen Enddeckel oder eine Endwand (183 bzw. 193) als Prallwand zum Stauen des Kühlmittels (K) bzw. zum teilweisen Umwandeln des dynamischen Fließdruckes in statischen Druckes und/oder zum gleichmäßigen Beaufschlagen der Wärmetauscherrohre (10 und 11) der Register mit Kühlmittel (K) aufweisen.
7. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmetauscherrohre (10, 11) mit Kühllamellen (96), die von, vorzugsweise durch Ventilatoren (71) geförderter, Außenluft (L) umströmt werden, thermisch gekoppelt sind.
8. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche a) mit 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, b) mit 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, c) 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), d) wobei der kleine Kühlkreislauf mit Kühlmittelbehälter (1) und Verbraucher (4) in einem einfriersicheren Bereich (I) angeordnet ist.
9. Kühleinrichtung nach Anspruch 8 und Anspruch 5, wobei die Zuführleitung (38) zum Zuführen des Kühlmittels (K) mit der Umschalteinrichtung (16) verbunden ist und/oder wobei die Abführleitung (39) zum Abführen des Kühlmittels (K) mit dem Kühlmittelbehälter (1) verbunden ist.
10. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Umlenksammelrohr (195), vorzugsweise in einem oberen Bereich und/oder in einem unteren Bereich, mit einer zum Kühlmittelbehälter (1) führenden Ausgleichsleitung (14) zum Gasausgleich mit dem Rückkühler (6) verbunden ist, in der wenigstens ein Ausgleichsventil (35) vorgesehen ist, verbunden ist, insbesondere an einer geodätisch im Wesentlichen höchstgelegenen Stelle des Rückkühlers (6).

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