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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
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Offene Kühlkreisläufe sind dadurch gekennzeichnet, dass deren Kühlfluid mit der Atmosphäre in Kontakt ist. Beispielsweise wird ein solcher Kontakt mittels eines Verdunstungskühlers des Kühlkreislaufes hergestellt. Hierdurch kommt es zu einem Eintrag von Kohlenstoffdioxid in das Kühlfluid des Kühlkreislaufes. Typischerweise wird Wasser als Kühlfluid verwendet.
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Aufgrund des Eintrages von Kohlenstoffdioxid kann es innerhalb offener Kühlkreisläufe zu einer Überschreitung des Löslichkeitsproduktes kommen, wodurch eine Bildung von unlöslichen Substanzen induziert wird. Die Überschreitung des Löslichkeitsproduktes kann von der Zusammensetzung des Kühlfluids, beispielsweise seiner Anionen, Kationen und seinem Härtegrad (insbesondere anorganische Kohlenstoffe) abhängen. Typischerweise handelt es sich hierbei um Carbonate, beispielsweise Calciumcarbonat, welches in Form von Aragonit, Vaterit und/oder Calcit vorliegen kann. Die bei der Überschreitung des Löslichkeitsproduktes ausfallenden Substanzen, Kristalle oder Feststoffe werden auch als Kesselstein bezeichnet.
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Kesselstein ist typischerweise unerwünscht. Das ist deshalb der Fall, da dieser zu einem verminderten Wärmeübertrag führen kann, sodass die erzeugte Wärme nicht mehr ausreichend mittels des Kühlkreislaufes beziehungsweise mittels des Kühlfluids abgeführt werden kann. Im schlechtesten Fall können Leitungen des Kühlkreislaufes vollständig mit Kesselstein zuwachsen und sie so unbrauchbar machen.
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Weist der Kühlkreislauf einen Verdunstungskühler auf, so geht während des Betriebes stets ein Teil des Kühlfluids durch seine Verdunstung verloren. Es ist daher erforderlich den durch Verdunstung verlorenen Teil des Kühlfluids durch neues Kühlfluid, insbesondere Wasser, zu ersetzen.
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Grundsätzlich kann das durch Verdunstung verlorene Wasser durch deionisiertes Wasser, das heißt aufbereitetes Wasser, ersetzt werden, was jedoch zu höheren Betriebskosten führt. Stattdessen wäre es von Vorteil, nicht aufbereitetes Wasser zu verwenden. Dadurch werden jedoch Ionen in den Kühlkreislauf eingebracht. Diese Ionen reichern sich innerhalb des Kühlkreislaufes an, sodass es unausweichlich zu einem Überschreiten ihres Löslichkeitsproduktes kommt, falls keine weiteren Maßnahmen zur Verhinderung ihres Ausfällens getroffen werden. Beispielsweise könnte als Maßnahme wenigstens ein Teil des Kühlfluids verworfen werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass das Ausfällen von Feststoffen nicht vollständig vermieden wird und es zusätzlich zu einem vergrößerten Verbrauch an Kühlfluid kommt. Mit anderen Worten sind der Anmelderin keine Maßnahmen zur Verhinderung des Ausfällens von Feststoffen bekannt, die nicht mit einem großen Aufwand und entsprechend hohen Betriebskosten verbunden sind.
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Weiterhin können aus einer Probe des Kühlfluids seine Bestandteile durch eine Analyse bestimmt werden. Insbesondere sind hierbei die Mengen an Erdalkalimetallen, insbesondere Calcium, Magnesium und der Gesamthärtegrad sowie die Carbonathärte des Kühlfluids beziehungsweise Wassers von Bedeutung. Anhand des Ergebnisses der genannten Analyse kann geprüft werden, ob das Löslichkeitsprodukt für Calcit (Calciumcarbonat CaCO3) überschritten ist. Dies hat jedoch den Nachteil, dass es erforderlich ist sich auf eine Modellsubstanz wie beispielsweise Calcit festzulegen. Weiterhin ist nachteilig, dass hierdurch nicht sämtliche Effekte der Bildung von Kesselstein präzise abgebildet werden können, sodass ein Betreiber des Kühlkreislaufes zu konservative Betriebsbedingungen festlegt. Beispielsweise würde Wasser verwendet werden, welches stärker aufbereitet wurde, als es für eine bestimmte Anwendung des Kühlkreislaufes erforderlich wäre.
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Für einen offenen Kühlkreislauf werden weiterhin Entsalzungsanlagen, das heißt Ionentauscher verwendet, die den Nachteil haben, dass sie stetig gewartet werden müssen. Weiterhin ist eine solche Wasseraufbereitungsanlage stets mit einem signifikanten Einsatz von Energie und Kosten verbunden. Dementsprechend kann eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Entsalzungsanlage, zu einer deutlich verminderten Wirtschaftlichkeit des Kühlkreislaufes oder der Gesamtanlage führen.
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Alternativ könnte mit einem Sensor, der eine Bildung eines Feststoffes erfasst, eine Kontrolle der Bildung von Kesselstein (Steinbildung) innerhalb des Kühlkreislaufes erfolgen. Aufgrund des Sensors könnte eine zu verwerfende Menge des Kühlfluids festgelegt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Kühlfluids und der Betriebsbedingungen gegebenenfalls eine große Menge an Kühlfluid verworfen werden muss. Es ist im Extremfall sogar möglich, dass das nachgespeiste Wasser bereits an der Sättigungsgrenze von beispielsweise Calcit ist. Folgerichtig kann ein Ausfällen von schwerlöslichen Substanzen oder Feststoffen selbst mit einer großzügig festgelegten Menge an zu verwerfenden Kühlfluid nicht vollständig verhindert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind zusammenfassend keine Maßnahmen bekannt, Kühlfluide mit unterschiedlichster Zusammensetzung ohne eine vorangegangene Aufbereitung und ohne eine Bildung von Kesselstein zu verwenden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Einfluss der Bildung von Kesselstein auf einen Kühlkreislauf möglichst zu minimieren.
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Die Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 11 gelöst. In den abhängigen Patentsprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Vorrichtung, insbesondere eines Motors oder eines Frequenzumrichters, umfasst einen Kühlkreislauf für ein Kühlfluid, insbesondere für Wasser, und ein mittels des Kühlfluids durchströmbares Fällungselement. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fällungselement derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass das Kühlfluid innerhalb des Fällungselementes seine bezüglich des Kühlkreislaufes höchste Temperatur aufweist.
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Ein Ausfällen einer Substanz oder von Feststoffen kann auch als Bildung von Kesselstein oder Steinbildung bezeichnet werden.
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Das Kühlfluid ist insbesondere eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser.
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Der Kühlkreislauf ist insbesondere ein offener Kühlkreislauf.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, das Ausfällen von Substanzen oder Feststoffen, insbesondere von Kesselstein, innerhalb des Kühlkreislaufes zu lokalisieren und zu induzieren. Mit anderen Worten erfolgt das Ausfällen der Feststoffe innerhalb des Fällungselementes. Das ist deshalb der Fall, da das Fällungselement derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass das Kühlfluid im Fällungselement die höchste Temperatur innerhalb des Kühlkreislaufes aufweist. Mit anderen Worten macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, dass das Ausfällen von Kesselstein bevorzugt bei hohen Temperaturen erfolgt. Dadurch erfolgt vorteilhafterweise eine induzierte Steinbildung innerhalb des Fällungselementes. Weiterhin kann dadurch vorteilhafterweise eine Steinbildung an weiteren Stellen des Kühlkreislaufes vermieden werden. Mit anderen Worten ist die lokale Temperatur des Kühlfluids innerhalb des Fällungselementes über den Kühlkreislauf am höchsten.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist es möglich, deutlich geringere Anforderungen an die Qualität des Kühlfluids, insbesondere des Wassers, zu stellen. Dadurch können verschiedenste Kühlfluide mit verschiedensten Bestandteilen und Zusammensetzungen innerhalb offener Kühlkreisläufe verwendet werden, ohne dass zusätzlich eine aufwendige Wasseraufbereitung oder Aufbereitung der Kühlfluide erforderlich ist. Die Steinbildung kann mit vernachlässigbarem Zusatzaufwand und für eine Vielzahl verschiedenster Kühlfluide in offenen Kühlkreisläufen mittels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung innerhalb den weiteren Bereichen des Kühlkreislaufes verhindert werden. Mit anderen Worten wird die Steinbildung innerhalb des Kühlkreislaufes nicht vollständig verhindert, sondern gezielt innerhalb des Fällungselementes induziert und somit lokalisiert. Dadurch verbleiben die weiteren für den Betrieb der Kühlvorrichtung bedeutsameren Bereiche von einer Steinbildung nahezu verschont.
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Zur Verhinderung der Steinbildung außerhalb des Fällungselementes ist erfindungsgemäß das Fällungselement in dem Bereich angeordnet, in dem das Kühlfluid seine höchste Temperatur aufweist (heißeste Stelle des Kühlkreislaufes) und/oder derart ausgebildet, dass das Kühlfluid im Fällungselement seine höchste Temperatur erreicht.
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Bevorzugt kann die Ausbildung des Fällungselementes dadurch erfolgen, dass das Fällungselement eine Heizvorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Kühlfluids aufweist.
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Mit anderen Worten wird die Temperatur des Kühlfluids innerhalb des Fällungselementes mittels der Heizvorrichtung derart eingestellt, dass das Kühlfluid innerhalb des Fällungselementes seine bezüglich des Kühlkreislaufes höchste Temperatur aufweist.
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Insbesondere ist es von Vorteil das Fällungselement im Bereich der heißesten Stelle des Kühlkreislaufes anzuordnen und mit einer entsprechenden Heizvorrichtung vorzusehen.
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Beispielsweise ist hierzu eine elektrische Heizvorrichtung, das heißt eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise kann mittels der Heizvorrichtung die lokale Temperatur des Kühlfluids innerhalb des Fällungselementes weiter erhöht werden. Da die Steinbildung bevorzugt bei höheren Temperaturen erfolgt, kann somit die Steinbildung innerhalb des Fällungselementes verstärkt induziert werden.
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Ist das Fällungselement nicht im wärmsten Bereich des Kühlkreislaufes angeordnet, so ist es dennoch von Vorteil, das Fällungselement in einem Bereich des Kühlkreislaufes mit einer vergleichbar hohen Temperatur des Kühlfluids anzuordnen, da somit mit einem nur geringfügigen Energieaufwand, beispielsweise mittels der elektrischen Heizvorrichtung, das Kühlfluid derart erwärmt werden kann, dass dann die heißeste Stelle des Kühlkreislaufes innerhalb des Fällungselementes vorliegt. Dadurch kann vorteilhafterweise die Bildung von schwerlöslichen Erdalkalicarbonaten in kritischen Bereichen des Kühlkreislaufes vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung einer Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen verwendet wird, wobei ein Kühlfluid innerhalb des Kühlkreislaufes geführt wird.
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Es ergeben sich zur bereits genannten erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und ihrer Ausgestaltungen gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehen sich in analoger Weise auf Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, sodass die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens diesbezüglich gleichartige und gleichwertige Vorteile aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Fällungselement ein Festbett.
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Insbesondere ist hierbei ein Festbett, das beispielsweise Aluminiumoxidpartikel und/oder Siliziumoxidpartikel umfasst, von Vorteil. Dadurch wird eine möglichst große Oberfläche für die Steinbildung zur Verfügung gestellt. Weiterhin kann ein verzweigter und/oder mäanderförmiger Strömungsverlauf für das Kühlfluid innerhalb des Fällungselementes vorgesehen sein. Hierbei ist es bevorzugt die Oberfläche für die Steinbildung möglichst groß auszugestalten. Dadurch wird vorteilhafterweise die induzierte und lokalisierte Steinbildung innerhalb des Fällungselementes verbessert. Weiterhin kann das Fällungselement eine Schüttung verschiedenster steinartiger Materialien umfassen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Kühlvorrichtung eine Druckmessvorrichtung zum Erfassen eines Druckabfalles des Kühlfluids am Fällungselement auf.
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Mit anderen Worten wird der Beladungsgrad des Fällungselementes durch eine Messung des Druckabfalles (Differenzdruckmessung) des Kühlfluids am Fällungselement mittels der Druckmessvorrichtung ermittelt.
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Hierbei ergibt sich der Druckabfall des Kühlfluids am Fällungselement durch einen Differenzdruck zwischen einem für das Kühlfluid vorgesehenen Eingang und Ausgang des Fällungselementes. Vorteilhafterweise kann durch das Erfassen des Druckabfalles der Beladungsgrad des Fällungselementes bestimmt und überwacht werden. Als Beladungsgrad des Fällungselementes wird typischerweise die Menge an gebildeten und ausgefällten Feststoffen innerhalb des Fällungselementes bezeichnet. Die genannte Menge kann beispielsweise in Molprozent, Massenprozent oder Volumenprozent angegeben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkreislauf bezüglich des Massenstromes des Kühlfluids einen Hauptstrom und einen fluidisch zum Hauptstrom parallelen Teilstrom für das Kühlfluid auf, wobei das Fällungselement innerhalb des Teilstromes angeordnet ist.
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Mit anderen Worten wird bevorzugt nicht der gesamte Massenstrom des Kühlfluids durch das Fällungselement geführt. Bevorzugt wird ein Teilstrom des (gesamten) Massenstromes verwendet, um dem Kühlfluid steinbildende Feststoffe, insbesondere steinbildende Erdalkaliionen, mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Fällungselementes zu entziehen. Das ist deshalb von Vorteil, da es nicht erforderlich ist die Temperatur des gesamten Massenstromes des Kühlfluids mit der Heizvorrichtung zu erhöhen. Dadurch kann vorteilhafterweise Energie eingespart werden.
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Die Aufteilung des Massenstromes des Kühlfluids in einen Hauptstrom und einen Teilstrom kann mittels eines kontinuierlichen Dreiwegeventils erfolgen. Ebenfalls denkbar ist alternativ oder ergänzend eine Drossel, die innerhalb des Teilstromes angeordnet ist. Die Drossel ist hierbei derart zu dimensionieren, dass eine Pumpe für eine Aufrechterhaltung des Kühlkreislaufes nur einen entsprechenden kleinen Teil durch das Fällungselement fördert. Hierbei ist es bevorzugt, den Teilstrom in dem Bereich des Kühlkreislaufes vorzusehen, der die heißeste Stelle des Kühlkreislaufes, das heißt die höchste Temperatur des Kühlfluids, aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Verlässlichkeit des Unterbleibens einer Bildung schwerlöslicher Feststoffe, insbesondere schwerlöslicher Erdalkalicarbonaten, in weiteren Bereichen des Kühlkreislaufes, insbesondere kritischen Bereichen, vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kühlvorrichtung einen Sensor, der zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids vorgesehen ist.
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Dadurch kann vorteilhafterweise auf die Anzahl der Ionen innerhalb des Kühlfluids geschlossen werden. Insbesondere können sich weitere Ionen, die nicht zur Bildung von Feststoffen neigen, innerhalb des Kühlkreislaufes anreichern. Dies führt zu einer erhöhten Leitfähigkeit des Kühlfluids, was wiederum zur Korrosion von metallischen Bauteilen des Kühlkreislaufes führen kann. Vorteilhafterweise ist der Sensor zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids vorgesehen, mit dem die Leitfähigkeit des Kühlfluids und somit die Anzahl der angereicherten weiteren Ionen erfasst werden kann. Weiterhin kann hierdurch die Leitfähigkeit des Kühlfluids auf einen Sollwert der Leitfähigkeit eingestellt werden.
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Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn in Abhängigkeit einer vom Sensor erfassten Leitfähigkeit des Kühlfluids ein Auslass der Kühlvorrichtung zum Verwerfen eines Teils des Kühlfluids steuerbar oder regelbar ist.
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Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise anhand eines erfassten Messwertes der Leitfähigkeit eine zu verwerfende Menge an Kühlfluid über den Auslass der Kühlvorrichtung eingestellt, bestimmt oder geregelt. Hierbei erfolgt die Einstellung beziehungsweise Regelung bevorzugt derart, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kühlfluids einen annähernd konstanten Wert aufweist. Hierbei hat sich gezeigt, dass sich im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit des Kühlfluids ein wirtschaftliches Optimum ermitteln lässt.
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Einerseits bedeutet eine hohe Leitfähigkeit stets eine Gefahr von Korrosion. Andererseits bedeutet eine höhere Leitfähigkeit eine geringere Menge an zu verwerfenden Kühlfluid, insbesondere Wasser, was wirtschaftlich und ökologisch von Vorteil ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine hohe Leitfähigkeit einer Bildung von Feststoffen, das heißt ihrer Ausfällung innerhalb des Kühlkreislaufes, entgegenwirkt. Das ist deshalb der Fall, da die Lösung der vorliegenden weiteren Ionen insbesondere Carbonate und Erdalkaliionen abschirmen und somit ihre Aktivität verringern. Somit geht die Neigung der Bildung von Feststoffen mit der Anzahl der weiteren Ionen grundsätzlich zurück, sodass die ausfällenden Ionen aufgrund ihrer verminderten Aktivität weniger zu einer Überschreitung ihres Löslichkeitsproduktes neigen. Vorteilhafterweise kann somit mittels des Sensors ein wirtschaftliches sowie ökologisches Optimum für den Betrieb der Kühlvorrichtung erlangt werden.
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Es ist bevorzugt vorgesehen das Volumen an verworfenem Kühlfluid mittels einer Zuleitung der Kühlvorrichtung mit neuem Kühlfluid nachzufüllen.
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Mit anderen Worten werden/wird vorteilhafterweise eine verdunstete und/oder eine verworfene Menge an Kühlfluid mittels eines Einlasses nachgefüllt.
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Beispielsweise kann die Regelung der Menge an Kühlfluid mittels einer Füllstandmessung innerhalb eines Kühlfluidreservoir oder Wasserreservoirs der Kühlvorrichtung erfolgen. Weiterhin kann dadurch ein festgelegtes und bestimmtes Kühlfluid auch bei höheren Temperaturen verwendet werden, ohne den Anteil an ausfallenden Feststoffen wesentlich zu erhöhen. Hierbei ist aber stets zu beachten, dass eine erhöhte Leitfähigkeit eine Korrosion von Bauteilen der Kühlvorrichtung hervorrufen kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kühlvorrichtung eine Entkalkungsvorrichtung zum Entkalken des Fällungselementes.
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Die Entkalkungsvorrichtung ist insbesondere bei Kühlfluiden, beispielsweise Wässern, mit besonders hohen Härten vorteilhaft. Hierbei kann eine Entkalkungsflüssigkeit verwendet werden, die in lokal hoher Konzentration innerhalb des Fällungselementes ein Auflösen der schwerlöslichen Carbonate bewirkt. Als Entkalkungsflüssigkeit können Flüssigkeiten, die Erdalkalimetallionen komplexierende Substanzen enthalten, beispielsweise Chelatbildner, insbesondere Ethylendiamintetraessigsäure (abgekürzt: EDTA), verwendet werden. Alternativ oder ergänzend können Säuren, die den lokalen pH-Wert des Kühlfluids senken, verwendet werden. Beispielsweise können Zitronensäure, welche auch komplexierende Eigenschaften hat, und/oder Essigsäure eingesetzt werden. Ebenfalls geeignet sind Mineralsäuren, insbesondere Salzsäure, Salpetersäure und/oder Schwefelsäure. Hierbei ist jedoch die Umweltverträglichkeit der eingesetzten Entkalkungsflüssigkeit zu beachten, sodass diese ohne Bedenken zusammen mit der zu verwerfenden Menge an Kühlfluid an die Umwelt abgegeben werden kann. Daher sollte auf EDTA, welches nur schwer biologisch abbaubar ist und zu einer Anreicherung von Schwermetallen in der Biosphäre führen kann, sowie auf Salpetersäure, welche eine erhöhte Belastung mit Nitraten verursachen kann, verzichtet werden. Essigsäure kann bei Verdunstungskühlern zu einer Geruchsbelästigung führen und Zitronensäure ist relativ kostenintensiv. Daher sind Schwefelsäure und/oder Salzsäure als Entkalkungsflüssigkeit besonders bevorzugt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Fällungselement auswechselbar angeordnet.
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Vorteilhafterweise kann dadurch das Fällungselement bei einem erhöhten oder maximalen Beladungsstand durch ein neues Fällungselement ausgewechselt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Eingriff in den apparativen Aufbau und/oder in den Betrieb der Kühlvorrichtung möglichst gering gehalten werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn auf einen Sensor zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids verzichtet wird und die zu verwerfende Menge an Kühlfluid beispielsweise mittels einer erfassten Wasserhärte bestimmt wird.
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Hierbei ist es insbesondere von besonderem Vorteil, wenn die Kühlvorrichtung wenigstens zwei auswechselbar angeordnete Fällungselemente umfasst, wobei die Fällungselemente bezüglich des Massenstromes des Kühlfluids parallel verschaltet sind.
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Dadurch wird es vorteilhafterweise möglich ein Fällungselement auszuwechseln, ohne dass ein Stillstand der Kühlvorrichtung erforderlich ist. Der Betrieb der Kühlvorrichtung wird über das weitere Fällungselement fortgesetzt. Mit anderen Worten kann ein beladenes Fällungselement ausgewechselt werden, indem auf das weitere Fällungselement umgeschaltet wird. Dadurch wird vorteilhafterweise die Entfernung der steinbildenden Feststoffe aus dem Kühlfluid zu jeder Zeit des Betriebes sichergestellt. Ein Umschalten zwischen den beiden Fällungselementen kann mittels eines Dreiwegeventils erfolgen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
- 1 eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Fällungselement;
- 2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit zwei fluidisch parallelen Fällungselementen; und
- 3 eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit zwei fluidisch parallelen Fällungselementen und einer Entkalkungsvorrichtung.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer einzelnen Figur oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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In 1 ist die erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 mit einem Fällungselement 42 schematisch dargestellt.
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Hierbei umfasst die Kühlvorrichtung 1 einen offenen Kühlkreislauf 4. Der offene Kühlkreislauf 4 weist einen Verdunstungskühler 12 auf, sodass dieser stets mit der Atmosphäre beziehungsweise der Umgebungsluft der Kühlvorrichtung 1 im stofflichen Austausch steht. Dadurch wird Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Umgebungsluft in den Kühlkreislauf 4 eingebracht.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst weiterhin ein Kühlfluid, insbesondere Wasser, und ein Kühlfluidreservoir 18, insbesondere ein Wasserreservoir, sowie einen Sensor 6 und eine Pumpe 16, die wenigstens teilweise zum Aufrechterhalten des Kühlkreislaufes 4 vorgesehen ist.
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Das Kühlfluidreservoir 18 weist wiederum einen Einlass 11 zum Nachfüllen einer Menge an Kühlfluid sowie einen Auslass 10 zum Verwerfen einer Menge an Kühlfluid auf. Ein Nachfüllen von (neuem) Kühlfluid 41 mittels des Einlasses 11 ist deshalb erforderlich, da wenigstens ein Teil des Kühlfluids 41 innerhalb des Verdunstungskühlers 12 verdunstet. Weiterhin wird gegebenfalls wenigstens ein Teil des Kühlfluids über den Auslass 10 verworfen. Hierbei erfolgt ein Verwerfen des Kühlfluids 41 in Abhängigkeit von einer durch den Sensor 6 erfassten Leitfähigkeit des Kühlfluids 41.
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Die Kühlvorrichtung 1 ist zur Kühlung einer Vorrichtung 2, insbesondere von Frequenzumrichtern, vorgesehen. Zur Kühlung der Vorrichtung 2 ist diese im thermischen Kontakt mit dem Kühlfluid 41 des Kühlkreislaufes 4.
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Der Kühlkreislauf 4 weist das Fällungselement 42 auf, welches in einem Teilstrom des gesamten Massestromes des Kühlkreislaufes 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es typischerweise ausreichend, die steinbildenden Feststoffe, insbesondere Erdalkaliionen, innerhalb eines Teils des Massenstromes des Kühlfluids (Teilmassenstrom) zu entziehen. Hierbei kann der Teilstrom beziehungsweise die Aufteilung des gesamten Massenstromes des Kühlfluids 41 in einen Hauptstrom und einen Teilstrom mittels eines Dreiwegeventiles 21 erfolgen.
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Weiterhin ist es von Vorteil das Fällungselement 42 bereits in einem Bereich des Kühlkreislaufes 1 anzuordnen, in welchem das Kühlfluid 41 seine höchste Temperatur aufweist. Dadurch wird die Steinbildung innerhalb des Fällungselementes 42 verstärkt induziert. Ein solcher Bereich wird beispielsweise durch den Bereich des Kühlkreislaufes 1 ausgebildet, der bezüglich einer Richtung des Kühlkreislaufes 1 nach der Vorrichtung 2 und vor dem Verdunstungskühler 12 angeordnet ist. Nach der Vorrichtung 2 ist das Kühlfluid typischerweise am wärmsten, da es wenigstens einen Teil der Abwärme der Vorrichtung 2 aufgenommen hat. Mit anderen Worten ist das Fällungselement 42 bevorzugt zwischen der Vorrichtung 2 und dem Verdunstungskühler 12 angeordnet.
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Weiterhin kann eine Heizvorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die die Temperatur innerhalb des Fällungselementes 42 erhöht. Vorteilhafterweise ist es durch die Anordnung des Fällungselementes 42 innerhalb des Teilstromes nur erforderlich die Temperatur eines verringerten Anteils des Kühlfluids 41 zu erhöhen.
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Die in 1 dargestellte Kühlvorrichtung 1 weist eine Druckmessvorrichtung 44 auf, die einen Druckabfall über das Fällungselement 42 erfasst. Dadurch kann vorteilhafterweise der Beladungsgrad des Fällungselementes 42 durch die genannte Differenzdruckmessung erfasst werden.
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Durch das Nachfüllen des verdunsteten Kühlfluids 41 mittels des Einlasses 11 besteht die Gefahr, dass weitere Ionen in das Kühlfluid 41 eingetragen werden und somit eine verstärkte Steinbildung erfolgt. Erfindungsgemäß ist daher das Fällungselement 42 vorgesehen, das eine lokalisierte und induzierte Steinbildung innerhalb des Kühlkreislaufes 1 ermöglicht. Dadurch wird eine weitere Steinbildung in weiteren Bereichen des Kühlkreislaufes 1, insbesondere in empfindlichen oder kritischen Bereichen des Kühlkreislaufes 1, vermieden. Zur Erhöhung oder Verstärkung des induzierten Effektes der Steinbildung kann das Fällungselement 42 ein Festbett aus Aluminiumoxidpartikeln und/oder Siliziumoxidpartikel sowie eine Schüttung steinartiger Materialien umfassen.
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Zur weiteren Verringerung der Steinbildung innerhalb des Kühlkreislaufes 4 ist der Sensor 16 zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids 41 vorgesehen. Hierbei regelt der Sensor 6 die Menge an Kühlfluid 41, die mittels des Auslasses 10 verworfen wird. Dadurch kann ein annähernd konstanter Wert der Leitfähigkeit des Kühlfluids 41 erreicht werden.
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In 2 ist die zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 dargestellt.
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Hierbei umfasst die Kühlvorrichtung 1 wenigstens zwei Fällungselemente 42. Die Fällungselemente 42 sind jeweils in einem Teilstrom des gesamten Massenstromes des Kühlfluids 41 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Fällungselemente 42 bezüglich des Massenstromes des Kühlfluids fluidisch parallel verschaltet. Hierbei erfolgt die parallele Verschaltung der Fällungselemente 42 mittels eines ersten und zweiten Dreiwegeventils 21, 22.
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Im Weiteren zeigt 2 die gleichen Elemente wie bereits 1. Jedoch wurde in 2 auf einen Sensor zur Erfassung der Leitfähigkeit des Kühlfluids 41 verzichtet. Hierbei erfolgt die Bestimmung der Menge des zu verwerfenden Kühlfluids 41 mittels einer Ermittlung seiner Wasserhärte. Mit anderen Worten wird der Auslass 12 der Kühlvorrichtung 1 in Abhängigkeit der Wasserhärte des Kühlfluids 41 gesteuert oder geregelt.
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Aufgrund der verwendeten zwei Fällungselemente 42, die auswechselbar angeordnet sind, kann eines der Fällungselemente 42 ausgewechselt werden, ohne in den Betrieb der Kühlvorrichtung 1 einzugreifen. Das ist deshalb der Fall, da die Kühlvorrichtung 1 über das weitere Fällungselement 42 weiterbetrieben werden kann. Bei einem Austausch eines der Fällungselemente 42 wird der zugehörige Teilstrom mittels des zweiten Dreiwegeventils 22 unterbrochen, sodass die Auswechslung des zugehörigen Fällungselementes 42 erfolgen kann. Mit anderen Worten erfolgt ein Umschalten zwischen den zwei Fällungselementen 42 mittels des zweiten Dreiwegeventils 22. Der gesamte Teilstrom innerhalb der Fällungselemente 42 kann weiterhin durch das erste Dreiwegeventil 21 gesteuert und/oder geregelt und insbesondere unterbrochen werden.
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In 3 ist eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 dargestellt.
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Hierbei umfasst die in 3 dargestellte Kühlvorrichtung 1 eine Entkalkungsvorrichtung 8, die über dritte Dreiwegeventile 23 mit jeweils einem der Teilströme fluidisch gekoppelt ist. Hierbei wird eine Entkalkungsflüssigkeit der Entkalkungsvorrichtung 8 mittels einer weiteren Pumpe 17 in den Kühlkreislauf 4 beziehungsweise in die zu den Fällungselementen 42 zugehörigen Teilströme eingebracht. Hierbei kann die genannte Entkalkung der Fällungselemente 42 alternativ oder ergänzend zur Maßnahme des Auswechselns der Fällungselemente 42 vorgesehen sein. Durch die weitere Pumpe 17 wird die Entkalkungsflüssigkeit zu den entsprechenden Fällungselementen 42 geführt, wodurch eine hohe Konzentration der Entkalkungsflüssigkeit in dem Bereich der Fällungselemente 42 und somit ein Auflösen der schwerlöslichen Carbonate erreicht wird. Hierbei erfolgt die Steuerung oder Regelung der Entkalkung mittels der dritten Dreiwegeventile 23. Eine vergleichbare Steuerung oder Regelung kann alternativ oder ergänzend mit Rückschlagventilen erreicht werden.
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Im Gegensatz zu 2 weist die Kühlvorrichtung 1 der 3 - wie bereits die Kühlvorrichtung in 1 - einen Sensor 6 zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids 41 auf. Dadurch kann wiederum eine Menge an verworfenem Kühlfluid 41 über den Auslass 10 der Kühlvorrichtung 1 gesteuert oder geregelt werden. Zur weiteren Erläuterung sei auf 1 verwiesen.
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Wie bereits die Kühlvorrichtungen der 1 und 2 weist auch die Kühlvorrichtung 1 der 3 eine Druckmessvorrichtung 44 auf. Hierbei ist jeweils eine Druckmessvorrichtung 44 zum Erfassen des Druckabfalls über jedes der Fällungselemente 42 vorgesehen. Mit anderen Worten wird mittels der Druckmessvorrichtung 44 der Druckabfall über jedes der Fällungselemente 42 bestimmt. Dadurch kann vorteilhafterweise der jeweilige Beladungszustand der Fällungselemente 42 bestimmt werden. Durch die Ermittlung des Beladungszustandes kann vorteilhafterweise der Zeitpunkt einer Entkalkung mittels der Entkalkungsvorrichtung 8 bestimmt werden. Die Entkalkung der Fällungselemente 42 kann kontinuierlich und/oder in Zeitabschnitten erfolgen. Weiterhin kann die Entkalkung nur bei Bedarf hinzugezogen werden. Der Bedarf kann anhand des Beladungszustandes der Fällungselemente 42 ermittelt werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine lokale sowie induzierte Steinbildung innerhalb des oder der Fällungselemente. Dadurch können die Anforderungen an eine Qualität des Kühlfluids deutlich reduziert werden. Somit können verschiedenste Kühlfluide mit verschiedenster Zusammensetzung innerhalb der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung verwendet werden. Entsprechend aufwendige Aufbereitungen des Kühlfluids können entfallen. In Kombination mit einem Sensor zum Erfassen der Leitfähigkeit des Kühlfluids kann eine zu verwerfende Menge des Kühlfluids geregelt werden. Weiterhin kann die Leitfähigkeit des Kühlfluids an einen Sollwert angepasst werden. Hierbei hat sich gezeigt, dass sich ein wirtschaftliches Optimum ausbildet, da eine höhere Leitfähigkeit zu einer verringerten Menge an nachzufüllenden Kühlfluid führt. Weiterhin bedeutet eine höhere Leitfähigkeit eine höhere Ionenstärke, welche die Aktivität der steinbildenden Ionen absenkt, sodass die Tendenz zur Steinbildung verringert wird. Zudem kann ein bestimmtes Kühlfluid auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, wobei sich der Anteil der ausfallenden Feststoffe nicht wesentlich erhöht. Hierbei ist jedoch stets zu beachten, dass eine erhöhte Leitfähigkeit eine verstärkte Korrosion der Kühlvorrichtung verursachen kann.
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Mit anderen Worten ermöglicht die vorliegende Erfindung mit einem möglichst geringen Zusatzaufwand die Verwendung einer Vielzahl von Kühlfluiden, insbesondere bei offenen Kühlkreisläufen, ohne dass es zu unerwünschten Effekten durch Steinbildung kommt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
