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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlaggregat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Steuereinheit zum Steuern eines solchen Kühlaggregats nach Anspruch 5, ein Verfahren zum Steuern einer Kondensatmenge in einem Kühlaggregat nach Anspruch 10 und eine bevorzugte Verwendung des besagten Kühlaggregats nach Anspruch 15.
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Bei niedrigen Volumenströmen in einem Kühlaggregat, insbesondere bei geringen Ladeluftströmen in einem Fahrzeugantrieb, kommt es beim Unterschreiten einer Kondensationstemperatur des Volumenstroms zu plötzlichem Wasserausfall in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors. Dadurch wird die Leitungsfähigkeit des Motors eingeschränkt und die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs gedrosselt.
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Die europäische Patentschrift
EP 2 818 822 B1 offenbart einen Wärmetauscher, der in eine Luftzuführleitung eines Verbrennungsmotors eingebaut ist, und dessen Rohre erste und zweite Durchgangsinnenvolumen gegeneinander abgrenzen. Zwar wird damit die Temperatur oberhalb der Taupunkttemperatur geregelt; ein Einfluss auf die Kondensatmengenbildung ist jedoch kein Thema.
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Die europäische Patentschrift
2 195 514 B1 offenbart einen Wärmetauscher mit einem davor angeordneten Stellglied, das eine Umgehung des Wärmetauschers über einen Bypass zulässt. Eine komplette Dichtheit dieser Anordnung ist jedoch schwer zu erreichen, so dass sogar mehr Wasserausfall und in der Folge geringere Geschwindigkeit zu erwarten sind.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 5, 10 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Volumenstrom in einem Kühlaggregat so zu manipulieren, dass für einen Kühlbetrieb kritische Betriebszustände ausgeschlossen werden. Insbesondere besteht eine Überlegung darin, die Leistungsfähigkeit eines Kühlaggregats bei kritischen Betriebszuständen bewusst zu verringern. Dafür wird ein Kühlaggregat mit einem Plattenwärmetauscher bereitgestellt, der über einen Einlassbereich und einen Auslassbereich eines den Plattenwärmetauscher aufnehmenden Gehäuses von einem gasförmigen Fluid durchströmbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Auslassbereich des Gehäuses eine Trennwand vorgesehen ist, welche den Plattenwärmetauscher in zwei Volumenbereiche teilt, wobei die Trennwand mit einem Ventil versehen ist, von dessen Ventilstellung abhängig diese Volumenbereiche zum Durchströmen des Fluides vollständig zu öffnen sind oder einer dieser Volumenbereiche zum Durchströmen des Fluides zumindest teilweise schließbar ist. Durch Verringern oder vollständiges Verschließen von einem der Volumenbereiche lässt sich so die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in dem jeweils anderen Volumenbereich erhöhen und somit kritische Zustände wie ein Erreichen der Kondensationstemperatur vermeiden. In der Folge wird damit auch ein ungewollter Wasserausfall und somit eine in dem Plattenwärmetauscher und / oder der Brennkammer eines Verbrennungsmotors anfallende Kondensatmenge deutlich verringert. Durch Ansiedeln des Ventils auf der Kälteseite des Kühlaggregats werden zudem Kosten eingespart und gleichzeitig eine Haltbarkeit des Ventils erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlaggregats ist es dabei vorgesehen, dass die Trennwand so angeordnet ist, dass diese den Plattenwärmetauscher in zwei ungleich große Volumenbereiche teilt, womit sich die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides bei vollständigem Verschließen des größeren Volumenbereichs mehr als verdoppeln lässt. Damit steht ein besonders großer Steuerbereich für das Fluid zur Verfügung, der eine hohe Sicherheit gegen ein Erreichen der Kondensationstemperatur bietet und somit einen Wasserausfall ausschließt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Kühlaggregats ist das Ventil in oder an einem Auslassrohr des Gehäuses angeordnet, was dessen besonders einfache Integration an oder in dem Kühlaggregat ermöglicht. Bevorzugt ist das Ventil dabei als ein Klappenventil ausgestaltet, das sich sowohl im Gehäuse des Kühlaggregats wie auch in dessen Auslassrohr anordnen lässt.
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Es wird weiterhin eine Steuereinheit für das vorstehend beschriebene Kühlaggregat bereitgestellt, einerseits mit wenigstens einem Sensor zum Erkennen zumindest einer Zustandsgröße eines Fluides und / oder einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat, und andererseits mit einem elektromechanisch steuerbaren Ventil verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dabei ausgelegt, in Ansprechen auf zumindest einen von dem wenigstens einen Sensor erkannten Ist-Wert einer Zustandsgröße des Fluides und / oder der Kondensatmenge eine Ventilstellung so einzustellen, dass ein vorgegebener Grenzwert einer Zustandsgröße des Fluides und / oder ein vorgegebener Grenzwert einer Kondensatmenge nicht unter- oder überschritten wird. Durch diesen einfachen und effizienten Regelkreis können unter Vorgabe entsprechender Grenzwerte kritische Betriebszustände in dem besagten Kühlaggregat zuverlässig umgangen werden. Beispielsweise können Grenzwerte oder Schwankungsbereiche eines Volumenstroms und / oder einer Kondensatmenge bekannt sein, innerhalb derer ein effizienter Betrieb des Kühlaggregats sichergestellt ist. Ein Volumenbereich des Plattenwärmetauschers wird dann durch Verändern einer Ventilstellung weiter geschlossen, wenn der Volumenstrom einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, und wird weiter geöffnet, wenn der Volumenstrom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Umgekehrt kann ein Volumenbereich des Plattenwärmetauschers auch durch Verändern der Ventilstellung weiter geschlossen werden, wenn die Kondensatmenge einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und weiter geöffnet werden, wenn die Kondensatmenge einen vorgegeben Grenzwert unterschreitet. Damit bewegt sich der Betriebszustand des Kühlaggregats auch bei geringen Volumenströmen des Fluides stets in einem effizienten Bereich, der beispielsweise durch einen oberen und einen unteren Grenzwert von Volumenstrom und / oder Kondensatmenge definiert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine Sensor zum Erkennen von zumindest einer der Zustandsgrößen Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und / oder Druck, und insbesondere eines Volumenstromes des Fluides und / oder einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat ausgelegt ist. Aus der Erkennung einer Ist-Temperatur des Fluides lässt sich dabei ableiten, ob dessen Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, das heißt die Ventilstellung für einen Volumenbereich des Plattenwärmetauschers weiter zu schließen ist, um einen Abstand zu seiner Kondensationstemperatur einzuhalten, und umgekehrt. Die Kenntnis des Volumenstroms und / oder der Kondensatmenge in dem Kühlaggregat ist dagegen dann von Vorteil, wenn deren dedizierte Grenzwerte für ein bestimmtes Kühlaggregat bekannt sind. Im einfachsten Fall ist die Kenntnis einer von dem Sensor erfassten Kondensatmenge in dem Kühlaggregat ausreichend, um aus deren Grenzwerten eine Ventilstellung abzuleiten, in der ein effizienter Betrieb des Kühlaggregats gewährleistet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit ist diese bevorzugt zum Berechnen eines Volumenstroms aus den Zustandsgrößen Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Druck des Fluides ausgelegt. Aus diesen Zustandsgrößen lässt sich unter Beachtung der vorgegebene Geometrie des Kühlaggregats der Volumenstrom ableiten, so dass kein weiterer Sensor zu dessen Erkennung erforderlich ist. Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Druck in dem Kühlaggregat, genauer in seinem Plattenwärmetauscher, lassen sich zudem sehr zuverlässig und genau über einfache Sensoren feststellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit ist diese zum Steuern der Ventilstellung auf Basis eines in der Steuereinheit speicherbaren Zusammenhangs zwischen einem Volumenstrom und einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat ausgelegt. Auf Basis des bekannten Zusammenhangs in Form eines Kurvenverlaufs oder einer Wertetabelle lässt sich dann lediglich unter Erkennung oder Berechnung von einem Wert auf den jeweils anderen Wert schließen, und in der Folge die Ventilstellung verändern, um einen effizienten Betrieb des Kühlaggregats sicherzustellen. Im einfachsten Fall kann mit Zunahme oder Abnahme der Kondensatmenge die Ventilstellung so geändert werden, dass ein Volumenbereich des Plattenwärmetauschers weiter geschlossen wird, um die Strömungsgeschwindigkeit in dem anderen Volumenbereich zu erhöhen, und umgekehrt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit ist diese zum Steuern der Ventilstellung auf Basis eines oberen und / oder unteren Grenzwerts für einen Volumenstrom des Fluides und / oder eines oberen und / oder unteren Grenzwerts einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat ausgelegt. Im Bedarfsfall reicht damit die Kenntnis von einem Grenzwert des Volumenstroms oder der Kondensatmenge aus, um eine erforderliche Ventilstellung abzuleiten und für einen effizienten Betrieb des Kühlaggregats zu sorgen. Aufbauend allein auf der Kondensatmenge ist beispielsweise lediglich ein Füllstandsensor vorzusehen, dessen Wert mit einem vorgegebenen Grenzwert, Grenzbereich oder einem Soll-Wert zu vergleichen ist, um daraus eine Ventilstellung abzuleiten, die den effizienten Betrieb des Kühlaggregats gewährleistet.
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Es wird weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Kondensatmenge in einem Kühlaggregat bereitgestellt, insbesondere in einem wie vorstehend beschriebenen Kühlaggregat, bei dem der Plattenwärmetauscher in zwei Volumenbereiche geteilt und ein Ventil vorgesehen ist, dass diese Volumenbereiche zum Durchströmen eines Fluides vollständig öffnet oder einen dieser Volumenbereiche zum Durchströmen des Fluides zumindest teilweise schließt. Ein solches Verfahren ist besonders einfach umzusetzen, kostengünstig zu verwirklichen und sichert ebenfalls einen effizienten Betrieb eines Kühlaggregats. Das Verfahren weist dabei alle Vorteile auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es danach vorgesehen, dass abhängig von einem Ist-Wert einer Zustandsgröße des Fluides und / oder einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat eine Ventilstellung so eingestellt wird, dass wenigstens ein vorgegebener Grenzwert einer Zustandsgröße des Fluides und / oder wenigstens ein vorgegebener Grenzwert der Kondensatmenge in dem Kühlaggregat nicht unter- oder überschritten wird. Damit lässt sich auf einfache Art und Weise ein effizienter Betrieb eines Kühlaggregats innerhalb dieser Grenzwerte oder Schwankungsbereiche gewährleisten. Beispielsweise wird die Ventilstellung für einen Volumenbereich des Plattenwärmetauschers weiter geschlossen, wenn eine Kondensationstemperatur des Fluides unterschritten oder wenn eine Kondensatmenge einen Grenzwert überschreitet, um den Volumenfluss des Fluides zu erhöhen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Zustandsgrößen des Fluides zumindest eine Strömungsgeschwindigkeit, eine Temperatur und / oder einen Druck, und insbesondere einen Volumenstrom des Fluides und / oder eine Kondensatmenge in dem Kühlaggregat umfassen. Damit steht eine ganze Reihe von Werten zur Verfügung, auf deren Basis sich eine Ventilstellung bestimmen lässt, die eine effizienten Betrieb des Kühlaggregats ermöglicht. Dadurch wird insbesondere eine große Flexibilität in der Auswahl der Sensorik unter Kostengesichtspunkten und räumlichen Gegebenheiten gewährleistet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Ventilstellung auf Basis eines Zusammenhangs zwischen einem Volumenstrom und einer Kondensatmenge gesteuert wird, womit allein die Kenntnis von einem der beiden Werte erforderlich ist, um auf den jeweils anderen zu schließen. Damit kann insbesondere die Anzahl der erforderlichen Sensoren verringert werden, die sich im einfachsten Fall auf einen Füllstandssensor zum Erkennen der Kondensatmenge beschränkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Ventilstellung auf Basis eines oberen und / oder unteren Grenzwerts für einen Volumenstrom des Fluides und / oder eines oberen und / oder unteren Grenzwerts einer Kondensatmenge in dem Kühlaggregat gesteuert wird. Die Vorgabe dedizierter Grenzwerte für ein bestimmtes Kühlaggregat lässt dabei eine besonders einfache Steuerung des Ventils zu, bei welcher allein ein Grenzwert für Volumenstrom oder Kondensatmenge ausreicht, um eine erforderliche Ventilstellung abzuleiten.
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Vorzugsweise soll das vorstehend beschriebene Kühlaggregat oder die vorstehend beschriebene Steuereinheit zum Kühlen eines Fahrzeugantriebs, insbesondere zum Kühlen eines Verbrennungsmotors und bevorzugt zum Kühlen seiner Ladeluftzufuhr verwendet werden, da gerade dort Probleme mit Wasserausfall durch Kondensation auftraten.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen
- 1a eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Kühlaggregat mit einem Plattenwärmetauscher, dessen zwei Volumenbereiche voll durchströmt werden;
- 1b eine schematische Schnittdarstellung durch das Kühlaggregat der 1a, bei dem lediglich ein Volumenbereich des Plattenwärmetauschers voll durchströmt wird;
- 2 einen Wertezusammenhang zwischen einem Volumenstrom eines Fluides in dem Plattenwärmetauscher und einer gespeicherten Kondensatmenge, und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Kühlaggregat gemäß dem Stand der Technik.
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1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Kühlaggregat 1 mit einem Plattenwärmetauscher 2, dessen zwei Volumenbereiche 8, 9 voll durchströmt werden. Das Kühlaggregat 1 weist dazu ein Gehäuse 5 mit einem Einlassbereich 3 und einem Auslassbereich 4 auf, zwischen denen der Plattenwärmetauscher 2 angeordnet ist. Im Auslassbereich 4 ist eine Trennwand 7 angeordnet, die an eine der Platten des Plattenwärmetauschers 2 anschließt und sich in dieser Ausführungsform bis in ein Auslassrohr 11 des Kühlaggregats 1 hinein erstreckt. Die Trennwand 7 teilt dabei den Plattenwärmetauscher 2 in die zwei Volumenbereiche 8, 9, die ein die im Einlassbereich eintretendes Fluid 6 in zwei entsprechende Volumenströme aufteilen. Am freien Ende der Trennwand 7 schließt ein Ventil 10 an, das als ein Klappenventil ausgeführt ist. Dessen Klappe 14 ist um eine senkrecht zur Blattebene stehende Schwenkachse 15 schwenkbar und kann damit einen Volumenstrom des Fluides 6 begrenzen, der durch den jeweiligen Volumenbereich 8, 9 des Plattenwärmetauschers tritt. Wird die Klappe 14 beispielsweise bei gleichbleibendem Gesamtvolumenstrom des Fluides 6 im Einlassbereich 3 nach oben ausgeschwenkt, verringert sich der Volumenstrom des Fluides 6 durch den Volumenbereich 8, während sich der Volumenstrom des Fluides 6 durch den unteren Volumenbereich 9 erhöht. Dadurch steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides 6 im unteren Volumenbereich 9, was eine verminderte Kühlleistung des Plattenwärmetauschers 2 zur Folge hat.
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Gleichzeitig sinkt allerdings auch ein potentieller Wasserausfall durch Erreichen einer Kondensationstemperatur, wodurch die Kondensatmenge in dem Plattenwärmetauscher 2, dem Kühlaggregat 1 und einer nachgelagerten Brennkammer eins Fahrzeugs abnimmt. Dadurch steigt wiederum die Effizienz des Kühlaggregats 1, was insbesondere bei geringen Gesamtvolumenströmen bislang nicht der Fall gewesen ist. Die Trennwand 7 wird dabei den Plattenwärmetauscher 2 in zwei ungleich große Volumenbereiche 8, 9 trennend angeordnet, um ein Mehrfaches der Strömungsgeschwindigkeit des Gesamtvolumenstroms in dem kleineren der beiden Volumenbereiche 9 einstellen zu können. Eine entsprechende Steuereinheit (nicht gezeigt) kann ein elektromechanisch verstellbares Ventil 10 abhängig von einer gemessenen Kondensatmenge, einem Volumenstrom oder anderen Zustandsgrößen des Fluides 6 in dem Kühlaggregat 1, insbesondere in dem Plattenwärmetauscher 2 steuern, um einen Wasserausfall zu verhindern oder zumindest zu begrenzen. Die Zustandsgrößen können dabei auch eine Strömungsgeschwindigkeit, eine Temperatur und / oder einen Druck umfassen. Zur Messung aller genannten Größen kann wenigstens ein entsprechender Sensor (nicht gezeigt) vorgesehen sein, wobei gesuchte Zustandsgrößen wie ein Volumenstrom aus beispielsweise einer Strömungsgeschwindigkeit, einer Temperatur, einem Druck und einer Geometrie des Plattenwärmetauschers 2 berechnet werden können. Im einfachsten Fall kann die Steuerung der Ventilstellung des Ventils 10, also in diesem Fall der Schwenkwinkel seiner Klappe 14, basierend auf einer gemessenen Kondensatmenge vorgenommen werden, die es zu verringern gilt. Das Ventil 10 selbst muss grundsätzlich nicht als Klappenventil ausgestaltet sein, sondern kann sich auch jeder anderen Schließtechnik bedienen, solange sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit der betreffenden Volumenströme steuern lässt.
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1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch das Kühlaggregat 1 der 1a, bei dem lediglich ein Volumenbereich 9 des Plattenwärmetauschers voll durchströmt wird, da der Volumenstrom des Fluides 6 durch den Volumenbereich 8 des Plattenwärmetauschers 2 über die Ventilstellung des Ventils 10 blockiert ist, dessen Klappe 14 in eine obere Verschlussstellung geschwenkt ist. Dadurch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides im unteren Volumenbereich 9 des Plattenwärmetauschers 2 bei ansonsten gleichem Gesamtvolumenstrom im Eingangsbereich 3 des Gehäuses 5 zu. Genauer gesagt vermehrfacht sich im Verhältnis vom gesamten Volumenbereich des Plattenwärmetauschers 2 zu dem offenen Volumenbereich 9. Bei der gezeigten Ventilstellung des Ventils 10 und der dargestellten Anordnung der Trennwand 7 kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides 6 in dem unteren Volumenbereich 9 des Plattenwärmetauschers 2 auf einfache Weise ungefähr verdreifacht werden. Dadurch wird das Fluid 6 zwar schlechter gekühlt, aber auch ein Abstand zu seiner dortigen Kondensationstemperatur eingehalten, wodurch keine Wasser ausfällt und die Kondensationsmenge in dem Kühlaggregat 1 nicht erhöht wird. Insgesamt fällt also die Kühlleistung des Kühlaggregats 1, gleichzeitig wird es aber auch effizienter, da kondensiertes Wasser weder den Plattenwärmetauscher 2 noch eine nachgelagerte Verbrennung in der Brennkammer eines Fahrzeugs beeinträchtigt.
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2 zeigt einen Wertezusammenhang zwischen einem Volumenstrom eines Fluides 6 in dem Plattenwärmetauscher 2 (Abszisse, in Liter/Sekunde) und einer gespeicherten Kondensatmenge in dem Kühlaggregat 1 (Ordinate, in Gramm). Durch Erhöhung des Volumenstroms in dem unteren Volumenbereich 9 des Plattenwärmetauschers 2 von ungefähr 30 Liter/Sekunde auf ungefähr 60 Liter/Sekunde kann dabei eine Kondensatmenge von 160 g um ungefähr 90 g auf nahe 80 g zurückgefahren werden. Die Ventilstellung des Ventils 10 kann dabei durch Vorgabe der Grenzwerte 12 für den Volumenstrom und 13 für die gespeicherte Kondensatmenge gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der gesamte Wertezusammenhang in Form der Kurve 16 in der Steuereinheit hinterlegt sein, um abhängig von einem bekannten Volumenstrom oder einer Kondensatmenge den oberen Volumenbereich 8 zu schließen oder wenigstens dessen Durchströmung zu reduzieren.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein Kühlaggregat 1' gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Verringerung des Gesamtvolumenstroms des Fluides 6 zu einem Wasserausfall führt, der die Kondensatmenge in dem Kühlaggregat steigen und seine Effizienz wie auch die Effizienz eines nachgelagerten Verbrennungsmotors sinken lässt. Das Kühlaggregat 1' ist dabei grundsätzlich gleich aufgebaut wie das erfindungsgemäße Kühlaggregat 1. Durch die Anbringung einer Trennwand 7 und eines entsprechenden Ventils 10 kann jedoch erfindungsgemäß die Kondensatmenge auf einfache und wirkungsvolle Weise zuverlässig gesenkt werden. Dabei spielt die Überlegung eine entscheidende Rolle, gerade durch Leistungssenkung des Plattenwärmetauschers eine Effizienzsteigerung de Kühlaggregats und seiner umgebenden Komponenten zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2818822 B1 [0003]
- EP 2195514 B1 [0004]
