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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Wärmeübertrager und Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers einer Vorrichtung.
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Wärmeübertrager werden dazu eingesetzt, Wärme aus einem zu kühlenden System abzutransportieren oder Wärme in ein zu erwärmendes System einzubringen. So werden Wärmeübertrager im Bereich der Kältetechnik dazu eingesetzt, Wärme aus einem zu kühlenden Volumen abzuführen, in dem ein Kühlmedium aus der flüssigen in die gasförmige Phase überführt wird, wobei der Wärmeübertrager als Verdampfer verwendet wird. Gleichermaßen kann ein Wärmeübertrager im Bereich der Heiztechnik dazu verwendet werden, Umgebungswärme der Außenluft aufzunehmen, um im Zusammenwirken mit einer Wärmepumpe Wärme für ein zu heizendes Gebäude bereitzustellen. Umgekehrt kann ein solcher Wärmeübertrager auch als Verflüssiger oder Rückkühler verwendet werden, um Wärme an die Umgebung abzugeben.
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Unabhängig vom jeweiligen Anwendungsfall ist es für die zuverlässige und fehlerfreie Funktion des Wärmeübertragers entscheidend, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertrager und seiner Umgebung nicht durch den Wärmeübertrager von der Umgebung isolierende Störeinflüsse eingeschränkt wird. Derartige Störeinflüsse sind zum Beispiel Verschmutzungen oder Vereisungen des Wärmeübertragers, die sich beispielsweise zwischen Lamellen bzw. Lamellenpaketen des Wärmeübertragers ansammeln können.
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Wärmeübertrager weisen häufig Lamellen bzw. Lamellenpakete auf, um eine möglichst große, für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche bei gleichzeitig geringer Baugröße bereitzustellen. Im praktischen Betrieb eines solchen Wärmeübertragers kann es vorkommen, dass sich Feuchtigkeit aus der Umgebung der Lamellen an deren Oberflächen niederschlägt und diese Oberflächen und zwischen den Lamellen gebildete Zwischenräume vereisen. Aufgrund der isolierenden Wirkung dieser Vereisungen wird die Wärmeübertragung zwischen der Umgebung des Wärmeübertragers und dessen Lamellen bzw. dem entsprechenden innerhalb des Wärmeübertragers geführten Fluids beeinträchtigt. Zudem wird die Luftdurchströmung des Wärmeübertragers verschlechtert, wobei sich zum einen der Druckverlust erhöht und zum anderen die Leistung verringert, da weniger Luft durch den Wärmeübertrager strömt. Der Wärmeübertrager liefert in diesem Zustand gegebenenfalls nicht mehr die erforderliche Kühlleistung bzw. Wärmeleistung. Dies kann zur Zerstörung des gekühlten Gutes oder zum Ausfall einer zu kühlenden Anlage führen. Weiter können die Vereisungen zu einer Beschädigung der Komponenten des Wärmeübertragers führen.
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Um die Vereisungen zu entfernen ist es bekannt, den Wärmeübertrager mittels einer Heizeinrichtung abzutauen. Ein solches Abtauen sollte möglichst effizient erfolgen. Wird zu häufig oder über einen zu langen Zeitraum abgetaut, wird unnötig viel Heizenergie beispielsweise in ein zu kühlendes Volumen eingebracht, die dann wiederum mithilfe des Wärmeübertragers abtransportiert werden muss, um die vorgesehene Kühltemperatur zu halten bzw. einzustellen. Wird zu selten oder über einen zu kurzen Zeitraum abgetaut, ist das Abtauen nicht effektiv und die Funktionstüchtigkeit des betreffenden Systems wird beeinträchtigt. Bekannte Methoden zum Abtauen sind z.B. das elektrische Abtauen, die Heißgasabtauung, die Warmsoleabtauung sowie die Wasser- oder Luftabtauung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, eine Vorrichtung mit einem Wärmeübertrager und ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers einer Vorrichtung anzugeben, die ein effizientes, bedarfsgerechtes und energiesparendes Abtauen ermöglichen.
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Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird jeweils durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit einem Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager Rohrleitungen aufweist, die ein Kühlmedium führen, wobei der Wärmeübertrager eine Lamellenanordnung aufweist, die von den Rohrleitungen durchsetzt ist, und wobei der Wärmeübertrager eine in den Wärmeübertrager integrierte Heizeinrichtung aufweist, mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Heizeinrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizeinrichtung zwei oder mehr separat ansteuerbare Heizabschnitte aufweist, wobei jedem Heizabschnitt ein Abtaubereich des Wärmeübertragers zugeordnet ist, und wobei die Heizeinrichtung zum separaten Abtauen einzelner Abtaubereiche des Wärmeübertragers mittels der separat ansteuerbaren Heizabschnitte eingerichtet ist.
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Die separat ansteuerbaren Heizabschnitte ermöglichen ein gezielteres Abtauen des Wärmeübertragers. So kann die Wärme mittels der separat ansteuerbaren Heizabschnitte in die Bereiche des Wärmeübertragers eingebracht werden, in denen tatsächlich eine Vereisung vorliegt. Weiter können Heizabschnitte, deren zugeordnete Abtaubereiche bereits abgetaut ist, abgeschaltet werden, während weitere Heizabschnitte, deren zugeordnete Abtaubereiche noch nicht vollständig entgleist sind, weiter Wärme in den Abtaubereich einbringen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat daher den Vorteil, dass ein Abtauen mittels der Heizabschnitte bereichsweise, d. h. selektiv für die Abtaubereiche erfolgen kann. Weiter hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, dass das Steuern des Abtauens der Abtaubereiche individuell für jeden der Abtaubereiche erfolgen kann, d. h. eine Temperaturführung bzw. Wärmeeinbringung bereichsweise gesteuert werden kann. Auf diese Weise kann der Energieeintrag beim Abtauen reduziert werden, da im Vergleich zu einer nicht bereichsweise steuerbaren Heizeinrichtung kein Beheizen des gesamten Wärmeübertragers über der gesamten Zeitspanne des Abtauens erfolgen muss.
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Ein Abtaubereich des Wärmeübertragers kann beispielsweise ein Volumenbereich des Wärmeübertragers sein, der Teile einer oder mehrerer Lamellen der Lamellenanordnung sowie Teile der Rohrleitungen umfasst. Weiter kann ein dem Abtaubereich bzw. dem Volumenbereich zugeordneter Heizabschnitt innerhalb des zugeordneten Abtaubereichs bzw. Volumenbereichs angeordnet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zwei oder mehr separat ansteuerbaren Heizabschnitte und die jedem Heizabschnitt zugeordneten Abtaubereiche des Wärmeübertragers in Zeilen und/oder Spalten angeordnet sind. Beispielsweise können die Abtaubereiche des Wärmeübertragers zeilenartig angeordnet sein, wobei sich eine jeweilige Zeile im Wesentlichen über die gesamte Länge des Wärmeübertragers erstreckt und beispielsweise zwei oder mehr Zeilen entlang einer Höhe des Wärmeübertragers betrachtet übereinander angeordnet sind. Alternativ können die Abtaubereiche des Wärmeübertragers spaltenartig angeordnet sein, wobei sich eine jeweilige Spalte im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Wärmeübertragers erstreckt und beispielsweise zwei oder mehr Spalten entlang einer Länge des Wärmeübertragers betrachtet nebeneinander angeordnet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Abtaubereiche des Wärmeübertragers rasterartig bzw. gitterartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass Heizelemente der Heizeinrichtung teilweise oder vollständig innerhalb einer Einhüllenden der Lamellenanordnung angeordnet sind. Wenn vorliegend von einer Einhüllenden der Lamellenanordnung gesprochen wird, so umfasst diese ein Volumen, welches durch die maximalen äu-ßeren Abmaße der Lamellenanordnung begrenzt ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente die Lamellenanordnung durchdringen. Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Heizelemente entlang einer Längserstreckung des Wärmeübertragers betrachtet zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente elektrische Heizelemente aufweisen, wie Heizstäbe oder dergleichen, die die Lamellenanordnung durchdringen. Die Heizelemente können daher Widerstandsheizelemente sein, die sich aufgrund ihres Widerstands beim Durchleiten elektrischer Leistung erwärmen, wobei elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird.
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Die Heizelemente können beispielsweise durch Öffnungen von Lamellen der Lamellenanordnung durchgesteckt sein, und an den Lamellen befestigt sein bzw. anliegen. Es kann vorgesehen sein, dass jedes der Heizelemente die Lamellenanordnung entlang ihrer Längserstreckung betrachtet vollständig durchdringt. Alternativ können die Heizelemente in Leerrohren angeordnet sein, die die Lamellen durchdringen. Derartige Leerrohre vereinfachen die Montage und Wartung der Heizelemente.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt ein separat ansteuerbarer Heizstab zugeordnet ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt ein ansteuerbares Segment eines Heizstabs zugeordnet ist. Ein jeweiliger Heizstab kann beispielsweise 2 oder mehr separat ansteuerbare Segmente aufweisen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt eine Heizstabgruppe zugeordnet ist. Eine Heizstabgruppe kann zwei oder mehr Heizstäbe aufweisen, die gemeinsam ansteuerbarer sein können.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt ein bügelförmiges elektrisches Heizelement oder eine Gruppe bügelförmiger elektrischer Heizelemente zugeordnet sein. Ein solches bügelförmiges bzw. gabelförmiges elektrisches Heizelement weist insbesondere zwei im Wesentlichen parallel zueinander erschreckte Längsabschnitte auf, deren Enden benachbart zueinander angeordnet sind und zur Versorgung mit elektrischer Energie mit einer Quelle verbunden sind, wobei die Längsabschnitte in einem den Enden abgewandten Bereich bogenförmig miteinander verbunden sind bzw. ineinander übergehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente Rohrleitungen aufweisen, die die Lamellenanordnung durchdringen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt eine ansteuerbare Rohrleitung zugeordnet ist, wobei eine Steuerung mittels schaltbarer Ventile erfolgt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt ein ansteuerbares Segment einer Rohrleitung zugeordnet ist, wobei eine Steuerung mittels schaltbarer Ventile erfolgt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt eine ansteuerbare Gruppe von Rohrleitungen zugeordnet ist, wobei eine Steuerung mittels schaltbarer Ventile erfolgt.
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Eine solche Rohrleitung der Heizeinrichtung kann jeweils mit einem erwärmbaren Fluid durchströmbar sein, wie z. B. Heißgas, Warmsole oder dergleichen, um einen jeweiligen Heizabschnitt zu erwärmen und den zugeordneten Abtaubereich des Wärmeübertragers abzutauen. Die Vorrichtung kann eine zusätzliche Einrichtung zum Bevorraten und/oder Erwärmen des erwärmbaren Fluids aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Rohrleitungen der Heizrichtung, die als Heizelemente dienen, separat von den denjenigen Rohrleitungen des Wärmeübertragers vorgesehen sind, die das Kühlmedium führen. Dementsprechend werden Lamellen der Lamellenanordnung des Wärmeübertragers einerseits von Rohrleitungen durchdrungen, die das Kühlmedium führen, und andererseits von Rohrleitungen der Heizeinrichtung durchdrungen, die dazu eingerichtet sind, ein erwärmbares Fluid zu führen. Insbesondere kann vorgesehen sein das ein Heizkreislauf der Heizeinrichtung ein von einem Kühlkreislauf des Wärmeübertragers separater Fluidkreislauf ist, wobei keine Fluidverbindung zwischen dem Heizkreislauf und dem Kühlkreislauf besteht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Rohrleitungen der Heizrichtung, die als Heizelemente dienen, denjenigen Rohrleitungen des Wärmeübertragers entsprechen, die das Kühlmedium führen, wobei die Rohrleitungen mittels der Steuereinrichtung zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb umschaltbar sind. Hierbei ist vorteilhaft, dass keine separaten Rohrleitungen der Heizeinrichtung in der Lamellenanordnung des Wärmeübertragers vorgesehen sein müssen. Dementsprechend steht an den jeweiligen Lamellen der Lamellenanordnung im Vergleich zu einer Lösung mit für die Heizeinrichtung separaten Rohrleitungen mehr Fläche für die Wärmeübertragung zur Verfügung. Zudem können durch den Entfall der für die Heizeinrichtung separaten Rohrleitungen Kosten gespart werden und die konstruktive Komplexität des Wärmeübertragers insgesamt reduziert werden.
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Die Heizeinrichtung kann eine Heißgasabtauung und/oder eine Warmsoleabtauung aufweisen.
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Die Heißgasabtauung und/oder Warmsoleabtauung kann separat und unabhängig von einem Kühlkreislauf des Wärmeübertragers vorgesehen sein, wobei Rohrleitungen der Heißgasabtauung und/oder Warmsoleabtauung die Lamellenanordnung des Wärmeübertragers durchdringen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Expansionsventil, ein Umschaltventil, wie Zweiwegeventil, ein Dreiwegeventil oder dergleichen, ein Kompressor, ein Verdampfer und ein Verflüssiger vorgesehen sind, die einen Kältekreislauf bilden, wobei der Wärmeübertrager den Verdampfer oder den Verflüssiger ausbildet und wobei die Heizrichtung eine Heißgasabtauung oder eine Warmsoleabtauung aufweist, die mittels des Umschaltventils schaltbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung genau ein Expansionsventil aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung genau einen Kältekreislauf aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager genau einen Zulauf und genau einen Ablauf zum Einleiten eines Kältemittels in den Wärmeübertrager und zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager hat. Der Zulauf kann auch als Eingang bezeichnet werden. Der Ablauf kann auch als Ausgang bezeichnet werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass genau ein Expansionsventil vorgesehen ist, ein Umschaltventil, wie Zweiwegevenbtil, ein Dreiwegeventil, ein Vierwegeventil oder dergleichen, ein Kompressor, ein Verdampfer und ein Verflüssiger vorgesehen sind, die genau einen Kältekreislauf bilden, wobei der Wärmeübertrager den Verdampfer oder den Verflüssiger ausbildet, wobei der Wärmeübertrager genau einen Zulauf und genau einen Ablauf bzw. der genau einen Eingang und genau einen Ausgang zum Einleiten eines Kältemittels in den Wärmeübertrager und zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager hat, wobei die Heizrichtung eine Heißgasabtauung oder eine Warmsoleabtauung aufweist, die mittels des Umschaltventils schaltbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass genau zwei Expansionsventile vorgesehen sind, wobei die Vorrichtung genau einen Kältekreislauf aufweist, in dem die Expansionsventile angeordnet sind. Insbesondere dient eines der zwei Expansionsventile als Expansionsventil für einen Kühlbetrieb der Vorrichtung, während das jeweils andere der zwei Expansionsventile als Expansionsventil für einen Heizbetrieb zum Abtauen des Wärmeübertragers bei Umkehr des Kreislaufs dient.
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Es kann vorgesehen sein, dass zwischen einem Expansionsventil und dem Wärmeübertrager ein Verteiler angeordnet ist, der Kühlfluid auf mehrere Rohrleitungsstränge verteilt.
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Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Verteiler und dem Wärmeübertrager Einstellventile, d.h. Ventile zum Einstellen einer Durchflussmenge, vorgesehen sind, um eine Durchflussmenge für jeden der Rohrleitungsstränge einzustellen. Jedes der Einstellventile kann ein steuerbares Ventil sein.
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Ein Einstellventil ist kein Expansionsventil. Ein Einstellventil regelt die Durchflussmenge bei im Wesentlichen konstantem Fluiddruck, während ein Expansionsventil zum Entspannen des Fluids, d.h. zur Reduzierung des Fluiddrucks, dient.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum sensorgesteuerten Steuern der Heizeinrichtung eingerichtet ist, wobei mindestens eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, wie ein Sensor, eine Einrichtung zur fotografischen Bildgebung oder dergleichen, und wobei die Überwachungseinrichtung zum Detektieren eines Vereisungsgrads, zum Bestimmen eines Abtauzeitpunkts und zum Steuern eines Abtauvorgangs mittels der Steuereinrichtung vorgesehen ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Überwachungsbereiche mittels der Überwachungseinrichtung überwacht werden, wobei die Überwachungsbereiche insbesondere in Zeilen und/oder Spalten abgeordnet sind. Jedem Überwachungsbereich kann ein Abtaubereich zugeordnet sein.
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Jedem Überwachungsbereich können zwei oder mehr Abtaubereiche zugeordnet sein.
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Jedem Abtaubereich können zwei oder mehr Überwachungsbereiche zugeordnet sein. Sofern eine Überwachungseinrichtung eine Vereisung eines Überwachungsbereichs detektiert, die dem Abtaubereich zugeordnet ist, kann beispielsweise der gesamte Abtaubereich abgetaut werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass jedem Abtaubereich genau einen Überwachungsbereich zugeordnet ist.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt genau ein Abtaubereich zugeordnet ist.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass jedem Heizabschnitt zwei oder mehr Abtaubereiche zugeordnet sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der nachfolgend aufgelisteten Überwachungseinrichtungen vorgesehen sind: Temperatursensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor, Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im sichtbaren Wellenlängenbereich, Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, Wärmebildkamera, Infrarotkamera.
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Die Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine digitale Fotokamera sein. Der Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine Lichtquelle zugeordnet sein, um den Wärmeübertrager zur Verbesserung der Bildgebung auszuleuchten.
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Die Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine Infrarotkamera sein. Der Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine Infrarot-Lichtquelle zugeordnet sein, um den Wärmeübertrager Verbesserung der Bildgebung auszuleuchten.
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Die Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine Wärmebildkamera sein. Obwohl Wärmebildkameras in der Literatur zum Teil nicht der fotografischen Bildgebung zugeordnet werden, ist eine Wärmebildkamera im Sinne der vorliegenden Offenbarung eine Einrichtung zur fotografischen Bildgebung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Wärmebildkamera erzeugt Wärmebilder, die Temperaturunterschiede bzw. die Wärmesignatur des erfassten Objekts, in diesem Fall des Wärmeübertragers, wiedergeben. Zur Erzeugung eines solchen Wärmebilds ist keine Lichtquelle zur Ausleuchtung des betreffenden Objekts erforderlich, d. h. vorliegend keine Lichtquelle zur Ausleuchtung des Wärmeübertragers erforderlich.
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Es kann vorgesehen sein, dass einer ersten Gruppe von einer oder mehr Überwachungsbereichen eine erste Anordnung von einer oder mehr erster Überwachungseinrichtungen zugeordnet ist, um die erste Gruppe von einer oder mehr Überwachungsbereichen zu überwachen und dass einer zweiten Gruppe von einer oder mehr Überwachungsbereichen eine zweite Anordnung von einer oder mehr zweiter Überwachungseinrichtungen zugeordnet ist, um die zweite Gruppe von einer oder mehr Überwachungsbereichen zu überwachen. Je nach Dimensionen des Wärmeübertragers können daher mehrere Überwachungseinrichtungen zur Überwachung einer oder mehrerer Überwachungsbereiche vorgesehen sein.
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Je nach Länge des Wärmeübertragers kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mehrere Kameras vorgesehen sind, um den Wärmeübertrager vollständig überwachen zu können. Beispielsweise können mehrere Kameras beabstandet zueinander entlang einer Längserstreckung des Wärmetauschers aufgereiht sein, wobei jede Kamera jeweils eine Teillänge des Wärmeübertragers überwacht. Jede Teillänge kann einen Überwachungsbereich oder mehrere Überwachungsbereiche aufweisen.
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Jedem Überwachungsbereich kann ein Temperatursensor zugeordnet sein.
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Jedem Überwachungsbereich kann ein Drucksensor zugeordnet sein.
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Jedem Überwachungsbereich kann ein Feuchtigkeitssensor zugeordnet sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum zeitbasierten und/oder sensorgesteuerten Steuern der Heizeinrichtung eingerichtet ist und/oder die Steuereinrichtung zum KI-basierten Steuern der Heizeinrichtung eingerichtet ist und/oder die Steuereinrichtung zum Steuern der Heizeinrichtung anhand von Wärmebildaufnahmen mittels einer Wärmebildkamera der Vorrichtung eingerichtet ist. Die Steuerung des Abtauens der einzelnen Abtaubereiche kann daher mittels einer Zeitschaltuhr oder sensorgesteuert anhand eines oder mehrerer Temperatursensoren erfolgen, wobei beispielsweise jedem Abtaubereich einen Temperatursensor zugeordnet ist. Alternativ oder ergänzend können Wärmebilder einzelner Überwachungsbereiche ausgewertet werden, um das Voranschreiten eines Abtauvorgangs zu erfassen und ein Ende des Abtauvorgangs für jeden der Abtaubereiche bereichsspezifisch vorzugeben.
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Der Begriff „KI“ umfasst im vorgenannten Zusammenhang Verfahren auf Grundlage von künstlicher Intelligenz und steht ihr zusammenfassend für Verfahren aus dem Bereich „machine learning“ und „deep learning“. Beispielsweise kann eine KI-basierte Bildauswertung vorgenommen werden, um einen Vereisungszustand eines jeweiligen Überwachungsbereich zu erfassen, wobei beispielsweise konventionelle Digitalaufnahmen, Infrarot-Aufnahmen oder Wärmebildaufnahmen ausgewertet werden können. Derartige Aufnahmen können einerseits zum Bestimmen eines Abtauzeitpunkts und andererseits zum Steuern des Abtauvorgangs verwendet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit den Verfahrensschritten: Betreiben eines Wärmeübertragers einer Vorrichtung; Abtauen des Wärmeübertragers mittels einer Heizeinrichtung des Wärmeübertragers. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Abtauen des Wärmeübertragers zwei oder mehr separat ansteuerbare Heizabschnitte der Heizeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung gesteuert werden und den Heizabschnitten zugeordnete Abtaubereiche des Wärmeübertragers mittels der separat ansteuerbaren Heizabschnitte abgetaut werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Gleichzeitiges Abtauen aller Abtaubereiche erfolgt und anschließend einzelne oder mehrere Heizabschnitte abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann zunächst zügig Wärme in den Wärmeübertrager eingebracht werden, um anschließend das Abtauen bereichsspezifisch entsprechend der Abtaubereiche und der entsprechend zugeordneten Heizabschnitte gezielt zu steuern. Auf diese Weise kann ein zügiges und effizientes Abtauen erfolgen.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Abtauen eines Abtaubereichs oder mehrerer Abtaubereiche des Wärmeübertragers erfolgt, während für einen oder mehrere weitere Abtaubereiche des Wärmeübertragers kein Abtauen erfolgt. Während des Abtauens, können daher einzelne Abtaubereiche nicht mittels der zugeordneten Heizelemente abgetaut werden, während andere Abtaubereiche mittels der zugeordneten Heizelemente abgetaut werden.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Abtauen eines Abtaubereichs oder mehrerer Abtaubereiche des Wärmeübertragers mit einer ersten Heizleistung erfolgt, während ein Abtauen eines weiteren Abtaubereichs oder mehrerer weiterer Abtaubereiche des Wärmeübertragers mit einer zweiten Heizleistung erfolgt, die von der ersten Heizleistung verschieden ist. Die Wärmeeinbringung in die betreffenden Abtaubereiche kann daher gezielt und bedarfsgerecht gesteuert werden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Heizleistung einzelner Heizelemente aktiv geregelt wird. Für ein elektrisches Heizelement kann beispielsweise eine Stromzufuhr geregelt werden, während für eine Rohrleitung ein Öffnungsgrad eines Ventils geregelt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Abtauen der Abtaubereiche des Wärmeübertragers zeilenweise und/oder spaltenweise erfolgt.
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Es kann vorgesehen sein, dass während des Betreibens des Wärmeübertragers ein Überwachen eines Vereisungsgrads des Wärmeübertragers erfolgt, wobei zwei oder mehr Überwachungsbereiche des Wärmeübertragers mittels mindestens einer Überwachungseinrichtung überwacht werden, wobei ein Vereisungsgrad für jeden Überwachungsbereich des Wärmeübertragers bestimmt wird, wobei die Überwachungsbereiche insbesondere in Zeilen und/ Spalten abgeordnet sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung erfindungsgemäß ausgebildet ist und/oder das Steuern der Heizeinrichtung zeitbasiert und/oder sensorgesteuert erfolgt und/oder das Steuern der Heizeinrichtung KI-basiert erfolgt und/oder das Steuern der Heizeinrichtung anhand von Wärmebildaufnahmen einer Wärmebildkamera erfolgt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 die Vorrichtung aus 1 ohne Gehäuse in einer perspektivischen Ansicht;
- 3A den Wärmeübertrager der Vorrichtung aus 1 mit durchgehenden Heizstäben;
- 3B Heizabschnitte und Abtaubereiche des Wärmeübertragers aus 3A;
- 3C der Wärmeübertrager aus 3A ohne Heizabschnitte und Abtaubereiche;
- 4A einen Wärmeübertrager für eine Vorrichtung gemäß 1 mit nicht durchgehenden Heizstäben;
- 4B Heizabschnitte und Abtaubereiche des Wärmeübertragers aus 4A;
- 4C der Wärmeübertrager aus 4A ohne Heizabschnitte und Abtaubereiche;
- 5 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 6 der Wärmeübertrager der Vorrichtung aus 5;
- 7 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 8 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 9 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 10 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2. Die Vorrichtung 2 ist ein Kühlsystem 2. Das Kühlsystem 2 kann beispielsweise zur Kühlung eines begehbaren Kühlvolumens verwendet werden.
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Das Kühlsystem 2 hat ein Gehäuse 4, das Schutzgitter 6 von Ventilatoren 8 des Kühlsystems 2 trägt. Die Ventilatoren 8 dienen dazu, Luft einer Umgebung U entlang von Lamellen 10 eines Wärmeübertragers 12 des Kühlsystems 2 zu fördern. Der Wärmeübertrager 12 wird nachfolgend mit Bezug zu 2 beschrieben.
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Der Wärmeübertrager 12 befindet sich im Inneren des Kühlsystems 2, sodass das Gehäuse 4 zur Veranschaulichung des Wärmeübertragers 12 in 2 ausgeblendet ist. Der Wärmeübertrager 12 hat eine Vielzahl flächiger bzw. plattenförmiger Lamellen 10 die im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer Längserstreckung L des Wärmeübertragers 12 aufgereiht sind und die eine Lamellenanordnung 11 bilden.
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Die Lamellen 10 sind von Rohrleitungen 14 des Wärmeübertragers 12 durchsetzt, die ein Kühlmedium führen. Die Lamellen 10 können auch als Kühllamellen 10 bezeichnet werden. Die Kühllamellen 10 sind mit den Rohrleitungen 14 des Wärmeübertragers 12 verbunden.
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Die Vorrichtung 2 weist eine in den Wärmeübertrager 12 integrierte Heizeinrichtung 16 mit Heizstäben 18 zum Abtauen des Wärmeübertragers 12 auf. Die Heizstäbe 18 durchsetzen die Kühllamellen 10 ebenfalls entlang der Längsrichtung L und sind mit den Kühllamellen 10 verbunden.
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Die Vorrichtung 2 weist eine Einrichtung 20 zur fotografischen Bildgebung auf. Die Einrichtung 20 dient dazu, fotografische Aufnahmen des Wärmeübertragers 12 zu erzeugen und an eine Steuereinheit 22 der Vorrichtung 2 zu übermitteln. Die Steuereinheit 22 kann einen Rechner zur Auswertung fotografischer Aufnahmen aufweisen, mit einem Rechner zur Auswertung fotografischer Aufnahmen verbunden sein und/oder mit einem Server zur Auswertung fotografischer Aufnahmen verbunden sein.
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Die Einrichtung 20 ist eine Wärmebildkamera.
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Die Steuereinheit 22 dient zudem zum Steuern der Heizeinrichtung 16.
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Die Heizeinrichtung 16 hat vier separat ansteuerbare Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 auf. Jedem der Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 sind zwei Heizstäbe 18 zugeordnet. Die Heizstäbe 18 eines jeweiligen Heizabschnitts 21, 23, 25, 27 sind separate ansteuerbar, so dass die Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 unabhängig voneinander erwärmt werden können.
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Jedem Heizabschnitt 21, 23, 25, 27 ist ein Abtaubereich 29, 31, 33, 35 des Wärmeübertragers 12 zugeordnet, wobei jeder Abtaubereich 29, 31, 33, 35 ein den jeweils zugeordneten Heizabschnitt 21, 23, 25, 27 umgebender Volumenbereich 29, 31, 33, 35 ist.
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Die Heizeinrichtung 16 ist daher zum separaten Abtauen der einzelnen Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 des Wärmeübertragers 12 mittels der separat ansteuerbaren Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 eingerichtet.
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Die Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 entsprechen zudem Überwachungsbereichen 29, 31, 33, 35 der Wärmebildkamera 20, so dass ein Vereisungsgrad für jeden der zudem Überwachungsbereiche 29, 31, 33, 35 mittels der Wärmebildkamera 20 erfasst werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Wärmebildkameras 20 zum Überwachen der Überwachungsbereiche 29, 31, 33, 35 vorgesehen sind. Zusätzlich können weitere Überwachungseinrichtungen, wie Temperatursensoren 26, Drucksensoren 28 und Feuchtigkeitssensoren 30 für jeden der Überwachungsbereiche 29, 31, 33, 35 vorgesehen sein, um einen Vereisungszustand des betreffenden Überwachungsbereichs 29, 31, 33, 35 zur erfassen und/oder ein Abtauen des zugeordneten Abtaubereichs 29, 31, 33, 35 mittels der Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 zu steuern.
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3A zeigt die Kühllamellen 10 des Wärmeübertragers 12 mit den Heizstäben 18 und den Rohrleitungen 14. Gemäß 3A durchdringen die Heizstäbe 18 die Anordnung der Lamellen 10 entlang der Längsrichtung L betrachtet vollständig über die gesamte Länge. Weiter sind die Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 und die Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 gezeigt.
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Die Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 und die Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 sind in Zeilen angeordnet, so dass ein zeilenweises Abtauen erfolgen kann.
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Die Heizeinrichtung 16 und die Heizelemente 18 sind im Wesentlichen vollständig innerhalb einer Einhüllenden 37 des Wärmeübertragers 12 angeordnet. Es versteht sich, dass die hier lediglich zweidimensional gezeigte Einhüllende 37 ein Volumen begrenzt, das den Wärmeübertrager 12 im dreidimensionalen Raum vollständig einfasst.
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Die Heizelemente 18 sind vorliegend elektrische Heizelemente in Form von Heizstäben 18.
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Zur besseren Übersicht sind die Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 und die Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 in 3B ohne den Wärmeübertrager 12 dargestellt.
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Zur besseren Übersicht ist der Wärmeübertrager 12 in 3C ohne die Heizabschnitte 21, 23, 25, 27 und die Abtaubereiche 29, 31, 33, 35 dargestellt.
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4A zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Wärmeübertragers 12', der gleichermaßen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 verwendet werden kann. Der Wärmeübertrager 12' gemäß 4 unterscheidet sich dadurch vom Wärmeübertrager 12 gemäß 3, dass Heizstäbe 18' vorgesehen sind, die die Anordnung von Lamellen 10 entlang der Längsrichtung L betrachtet nur über eine Teillänge durchdringen.
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Der Wärmeübertragers 12', hat acht Heizabschnitte 21', 23', 25', 27', 21'', 23'', 25'', 27'' und acht zugeordnete Abtaubereiche 29', 31', 33', 35', 29'', 31'', 33'', 35''. Die Abtaubereiche 29', 31', 33', 35', 29'', 31'', 33'', 35'' sind mittels der Heizabschnitte 21', 23', 25', 27', 21'', 23'', 25'', 27'' jeweils separat, d.h. unabhängig voneinander abtaubar bzw. beheizbar.
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Zur besseren Übersicht ist der Wärmeübertrager 12' in 4B ohne die und die Abtaubereiche und Heizabschnitte dargestellt.
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Zur besseren Übersicht sind die Heizabschnitte 21', 23', 25', 27', 21'', 23'', 25'', 27'' und die Abtaubereiche 29', 31', 33', 35', 29'', 31'', 33'', 35' in 4C ohne den Wärmeübertrager 12' dargestellt.
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5 zeigt eine Vorrichtung 2', die ein Kühlsystem ist. Die Vorrichtung 2' hat einen Verdampfer 12'' einen Verflüssiger 37, ein Expansionsventil 39 und einen Kompressor 41.
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Der Wärmeübertrager 12'' bzw. Verdampfer hat sechs Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' bzw. Rohrleitungsgruppen 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''', die jeweils fünf Rohrleitungen aufweisen (6). Die Rohrleitungen der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' durchdringen eine Lamellenanordnung 11'' des Wärmeübertragers 12''.
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Die Rohrleitungen sind Segmente der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''', wobei die entlang der Längserstreckung des Wärmeübertragers 12'' erstreckten Rohrleitungen, d.h. die senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckten Rohrleitungen, über Bögen 83 miteinander verbunden sind. Die Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' durchdringen die Lamellenanordnung 11'' daher entlang einer Breite B des Wärmeübertragers 12'' mäanderförmig.
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Die Rohrleitungen der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' sind Rohrleitungen des Wärmeübertragers 12'', die das Kühlmedium führen. Die Rohrleitungen der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' sind zudem Rohrleitungen einer Heizrichtung 16'' und dienen als Heizelemente. Die Rohrleitungen der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' sind mittels der Steuereinrichtung 22'' zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb umschaltbar.
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Die Vorrichtung 2' hat einen Verteiler 81, einen Sammler 43, einen Eingang 45 zum Einleiten eines Kühlmedium und einen Ausgang 47 zum Abführen eines Kühlmediums aus dem Wärmeübertrager 12''.
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Die Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' sind separat ansteuerbar und bilden somit Heizabschnitte einer Heizeinrichtung 16', die umgebende Abtaubereiche des Wärmeübertragers 12'' separat abtauen können, beispielsweise durch eine Kreislaufumkehr. Die Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''', 14'''', 14'''', 14''''', 14'''''' können mittels der Steuereinrichtung 22'' mittels Ventilen (nicht dargestellt) schaltbar sein.
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7 zeigt eine weitere Vorrichtung 2'', wobei lediglich auf die Unterschiede zur voranstehend beschriebenen Vorrichtung 2' eingegangen wird und gleichen Merkmalen gleiche Bezugszeichen zugeordnet werden.
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Die Vorrichtung 2'' hat eine Heizeinrichtung 16'' in Form einer Heißgasabtauung. Hierzu ist ein Zweiwegeventil 49 vorgesehen, das zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb bzw. Abtaubetrieb eingerichtet ist.
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Die Ventile 51 der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''' sind jeweils separat ansteuerbar, so dass die Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''' separat und unabhängig voneinander mit Heißgas durchströmt werden können, um ein selektives Abtauen des Wärmeübertragers 12'' durchzuführen. Die Ventile 51 sind Einstellventile zum Einstellen einer Durchflussmenge, um eine Durchflussmenge für jeden der Rohrleitungsstränge 14', 14'', 14''' einzustellen.
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8 zeigt eine weitere Vorrichtung 2''', wobei lediglich auf die Unterschiede zu den voranstehend beschriebenen Vorrichtungen 2', 2'' eingegangen wird und gleichen Merkmalen gleiche Bezugszeichen zugeordnet werden.
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Die Vorrichtung 2''' hat eine Heizeinrichtung 16''' in Form einer Heißgas oder Warmsoleabtauung, deren Rohrleitungen 57, 57', 57'' bzw. Heizabschnitte 57, 57', 57'' separat von den Rohrleitungen 14', 14'', 14''', die das Kühlmedium führen, vorgesehen sind. Die Rohrleitungen 57, 57', 57'' durchringen den Wärmeübertrager 12'''. Für die Vorrichtung 2''' sind der Külkreislauf und der Heizkreislauf daher vollständig voneinander getrennt.
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Die Heizeinrichtung 16''' hat eine Pumpe 53, eine Wärmequelle 55, z.B. in Form einer Widerstandsheizung oder dergleichen, ein Verteilrohr 61 als Eingang und ein Sammelrohr 63 als Ausgang. Alternativ oder ergänzend kann die Abwärme des Kompressors 41 als Wärmequelle dienen.
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Der Wärmeübertrager 12''' kann daher mittels der Rohrleitungen 57, 57', 57'' selektiv mit Heißgas versorgt werden, um den Wärmeübertrager 12''' selektiv, d.h. bereichsweise abzutauen. Alternativ kann die Heizeinrichtung 16''' mit Warmsole betrieben werden.
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9 zeigt eine weitere Vorrichtung 2'''', wobei lediglich auf die Unterschiede zur voranstehend beschriebenen Vorrichtungen 2', 2'', 2''' eingegangen wird und gleichen Merkmalen gleiche Bezugszeichen zugeordnet werden.
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Für die Vorrichtung 2'''' gemäß 9 werden wiederum die Rohrleitungen 14', 14'', 14''' sowohl für den Kühlbetrieb als auch für den Heizbetrieb verwendet. Zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb wird durch eine Kreislaufumkehr umgeschaltet, wobei ein Dreiwegeventil 85 und ein Vierwegeventil 65 zum Umschalten der Kreislaufrichtung dienen. Mittels der Ventile 51 kann im Heizbetrieb ein selektives Abtauen des Wärmeübertragers 12'' erfolgen, in dem die Rohrleitungen 14', 14'', 14''' in Abhängigkeit von der Ventilstellung der Ventile 51 durchströmt werden oder nicht durchströmt werden.
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10 zeigt eine weitere Vorrichtung 2''''', wobei lediglich auf die Unterschiede zur voranstehend beschriebenen Vorrichtung 2''' eingegangen wird und gleichen Merkmalen gleiche Bezugszeichen zugeordnet werden.
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Die Vorrichtung 2''''' hat eine Heizeinrichtung 16''''' in Form einer Heißgas oder Warmsoleabtauung, deren Rohrleitungen 57, 57', 57'' bzw. Heizabschnitte 57, 57', 57'' separat von den Rohrleitungen 14', 14'', 14''', die das Kühlmedium führen, vorgesehen sind. Die Rohrleitungen 57, 57', 57'' durchringen den Wärmeübertrager 12'''. Für die Vorrichtung 2''''' sind der Külkreislauf und der Heizkreislauf daher vollständig voneinander getrennt.
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Das Sammelrohr 63 der Heizeinrichtung 16''''' ist hier mit einem Auslass 87 verbunden, der beispielsweise in einen Sammler oder einen Abscheider mündet.
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Das Abtauen kann für jede der vorbeschriebenen Vorrichtungen wie folgt ablaufen:
- Mit der Überwachungseinrichtungen wird ein Vereidungsgrad eines jeweiligen Wärmeübertragers überwacht, insbesondere bereichsweise entsprechend vorgegebener Überwachungsbereiche überwacht.
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Sofern ein Abtauen erforderlich ist, werden bevorzugt zunächst alle Heizabschnitte mit ihren zugeordneten Heizelementen aktiviert.
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Das Abtauen kann mittels der Überwachungseinrichtungen bereichsweise überwacht werden. Sofern für einen betreffender Abtaubereich abgetaut ist, kann der jeweils zugeordnete Heizabschnitte abgeschaltet werden, bis alle Heizabschnitte abgeschaltet sind und der Wärmeübertrager vollständig abgetaut ist.
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Insbesondere können Wärmebilder der Überwachungsbereiche dazu dienen, den Abtauzustand für die Abtaubereiche zu erfassen. Die Auswertung der Wärmebilder bzw. Wärmebildaufnahmen kann KI-basiert erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Vorrichtung / Kühlsystem Gehäuse
- 6
- Schutzgitter
- 8
- Ventilatoren
- 10
- Lamellen / Kühllamellen 10
- 12, 12', 12'', 12'''
- Wärmeübertrager
- 14, 14', 14'', 14''', 14'''', 14''''', 14''''''
- Rohrleitung / Rohrleitungstrang
- 16, 16', 16'', 16''', 16''''
- Heizeinrichtung
- 18, 18'
- Heizstäben
- U
- Umgebung
- L
- Längsrichtung
- B
- Breitenrichtung
- 20
- Einrichtung zur fotografischen Bildgebung
- 21
- Heizabschnitt
- 22, 22', 22''
- Steuereinheit
- 23
- Heizabschnitt
- 24
- Sensor
- 25
- Heizabschnitt
- 26
- Temperatursensor
- 27
- Heizabschnitt
- 28
- Drucksensor
- 30
- Feuchtigkeitssensor
- 29
- Abtaubereich
- 31
- Abtaubereich
- 33
- Abtaubereich
- 35
- Abtaubereich
- 37
- Einhüllenden
- 39
- Expansionsventil
- 41
- Kompressor
- 43
- Sammler
- 45
- Eingang
- 47
- Ausgang
- 49
- Zweiwegeventil
- 51
- Ventil
- 53
- Pumpe
- 55
- Wärmequelle
- 57, 57', 57''
- Rohrleitung
- 61
- Verteilrohr
- 63
- Sammelrohr
- 65
- Vierwegeventil
- 81
- Verteiler
- 83
- Bogen
- 85
- Dreiwegeventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 204128254 [0006]
- CN 214469483 U [0006]
