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Die Erfindung betrifft einen adiabatischen Rückkühler, insbesondere zur Kühlung von Fluiden mittels Luft, wobei die Kühlung adiabatisch mit Unterstützung durch den Verdunstungskühleffekt von Wasser in ungesättigter Luft erfolgt.
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Als Rückkühler werden Luft-Wärmeübertrager in Kombination mit einem Ventilator verstanden, wobei der Ventilator Luft zur Kühlung eines Fluides durch einen Wärmeübertrager, beispielsweise einen Rohr-Lamellenwärmeübertrager, saugt oder drückt.
Gebräuchliche Einsatzgebiete von Rückkühlern betreffen beispielsweise Kondensatoren in Kälteanlagen, wobei mit dem Kühlmedium Luft das Kältemittel im Wärmeübertrager gekühlt wird. Die Umgebungsluft strömt an den Lamellen des Wärmeübertragers vorbei, wird erwärmt, steigt durch Konvektion auf und transportiert damit die aufgenommene Wärme ab.
Die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft erfolgt in geschlossenen Systemen ausschließlich durch Wärmeübergang und Konvektion. Die Wärme des an den Rohrinnenseiten anliegenden zu kühlenden Mediums, beispielsweise dem Kältemittel, wird an der Rohrinnenfläche ebenfalls durch Wärmeübergang und Konvektionen auf das Rohr und von diesem an die Lamellen per Wärmeleitung übertragen.
Die Temperatur der Umgebungsluft stellt somit die theoretische Kühlgrenztemperatur für die Kühlung dar.
Bei einer Trockenkühlung, ohne den Einsatz von Wasser und die Nutzung der adiabaten Kühlung, ist somit keine Kühlung des zu kühlenden Mediums unter die Umgebungslufttemperatur möglich. Der Kühlgrenzabstand entspricht dabei der Differenz zwischen der Mediumaustrittstemperatur und der Lufteintrittstemperatur.
Es gibt verschiedene Bauweisen von Trockenkühlern, die beispielsweise in horizontaler, vertikaler oder v-förmiger Lage ausgeführt werden.
Derartige Rückkühler nach dem Prinzip der Trockenkühlung weisen einen relativ großen Platzbedarf durch größere Geräteabmessungen auf. Nachteilig ist weiterhin, dass in Abhängigkeit des Umgebungsluftzustandes nur relativ hohe Verflüssigungs- beziehungsweise Rückkühltemperaturen erreichbar sind. In diesem Zusammenhang ist auch der Nachteil der inkonstanten Rückkühlbeziehungsweise Verflüssigungsleistung bei hohen Umgebungstemperaturen und auftretenden Spitzenlasten zu verzeichnen.
Um die Nachteile der Trockenkühlung zu überwinden, sind im Stand der Technik Rückkühler unter Nutzung der adiabaten Kühlung, der Verdunstungskühlung, bekannt. Rückkühler nach diesem Prinzip werden auch als Hybridtrockenkühler bezeichnet.
Die Rückkühlung des primärseitig strömenden Mediums wird durch die angesaugte Umgebungsluft und eine zusätzliche Verdunstung von Wasser im Umgebungsluftstrom realisiert. Bei tiefen Lufttemperaturen wird die Wärme wie bei einem Trockenkühler rein konvektiv über die Lamellen an die trockene Kühlluft abgegeben. Steigt die Lufttemperatur, wird mittels der zuschaltbaren Wasserbenetzung die Wärme teils konvektiv und teils in latenter Form an die Kühlluft abgeführt. Es wird über die Verdunstung des Wassers und die damit verbundene Abkühlung der angesaugten Luft die Annäherung der Lufttemperatur an die Feuchtkugeltemperatur und damit der in Abhängigkeit des Luftzustandes maximal erreichbare Kühleffekt angestrebt.
Der Verdunstungskühleffekt ermöglicht eine Unterschreitung der Trockenlufttemperatur und folglich eine Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Medium und der angesaugten Umgebungsluft. Hierdurch nimmt die Rückkühl- beziehungsweise Verflüssigerleistung entsprechend zu.
Für die Realisierung der Hybridtrockenkühlung sind verschiedene Befeuchtungssysteme mit unterschiedlichen Wirkprinzipien bekannt.
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Die bekannten Trockenkühler werden teilweise mit unter den Wärmeübertragerblock montierten Sprühlanzen ausgerüstet. Diese zerstäuben Wasser in der Ansaugzone des Wärmeübertragers und befördern dieses direkt auf die Lamellenoberfläche. Eine vollständige Verdunstung des Sprühwassers in der Ansaugzone ist praktisch nicht umsetzbar, da sich die Befeuchtungszone mit dem Abstand Düse - Lamellenoberfläche als zu gering darstellt. Durch das direkte Auftreffen der Wassertropfen auf der Lamellenoberfläche und der damit verbundenen Einnässung des Blockes besteht das Risiko des Tropfenmitrisses aus dem Gerät heraus. Dies hat zur Folge, dass der Betreiber einer solchen Anlage sicherstellen muss, dass das verdüste Wasser spezielle hygienische Vorgaben dauerhaft erfüllt. So würden sich Legionellen oder andere Bakterien im Sprühwasser anreichern und ausgetragen werden, was zu gesundheitlichen Risiken führen kann. Ebenso kommt es auf der nassen Lamellenoberfläche zu Ablagerungen durch das verdunstende Wasser. Der Wartungsaufwand und die Betreiberkosten steigen folglich drastisch an.
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Bei dem Konzept der Verdunstungsmatte durchquert die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Wärmeübertragerblock eine Befeuchtungsmatte aus Cellulose. Diese Matten bestehen aus gewellten Pappblättern, die in einem bestimmten Winkel zueinander abwechselnd aufeinandergeklebt werden. Es ergeben sich Strömungskanäle mit zwei Anstellwinkeln zur waagerechten Eintrittsrichtung der Luft. Dies ist der Grund für einen unterschiedlichen luftseitigen Druckverlust, den die Matte an der Eintrittsöffnung des Gerätes erzeugt. Die Matte wird von oben mit Wasser berieselt und bildet eine große Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft. Ein Teil des Wassers verdunstet in der Matte. Die dazu notwendige Energie wird dem Luftstrom als Wärme entzogen, mithin wird dieser gekühlt.
Bei diesem Konzept wird der Wärmeübertragerblock nicht direkt befeuchtet, was die Gefahr der Legionellenbildung stark reduziert. Der Prozess kann als vollkommen adiabat betrachtet werden, weil der Verdunstungseffekt dem Wärmeübertragerblock vorgelagert und somit vom Wärmeübertrager entkoppelt erfolgt.
Die Wärmeübertragerblöcke von hybriden Trockenkühlern mit Verdunstungsmatten werden in der Regel in V-Form angeordnet. Dies ermöglicht kleinere Geräteanmessungen bei höherer Rückkühlleistung. Für die Anordnung der Verdunstungsmatten gibt es unterschiedliche Ansätze, wie beispielsweise schräg, gerade oder geteilt. Nach dem Hybridtrockenkühlkonzept können relativ tiefe Rückkühltemperaturen oder die Verwendung von Sekundärwasser erreicht werden, dieser Effekt wird auch als adiabatischer Effekt bezeichnet. Durch die Verdunstungsmatten wird unabhängig vom Betriebszustand des Gerätes jedoch ein luftseitiger Druckverlust erzeugt.
Nachteilig ist somit in Abhängigkeit von Mattentyp und Anordnung eine höhere Ventilatordrehzahl erforderlich.
Im Vergleich zu Trockenkühlern sind erheblich höhere Investitionskosten durch die teurere Steuer- und Regelungstechnik sowie einen aufwändigen Korrosionsschutz für die mit Wasser in Berührung kommenden Bauelemente erforderlich.
Nachteilig ist auch, dass die lineare Anströmung des Ventilators in einer V-förmigen Anordnung der Wärmeübertragerblöcke zu einer vergleichsweise hohen Schallbelastung führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Rückkühler nach dem Hybridtrockenkühlungskonzept derart weiterzubilden, dass ein verbesserter, energieeffizienterer und ressourcenschonender Betrieb des Rückkühlers ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der selbständigen Patentansprüche gelöst, Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen adiabatischen Rückkühler gelöst, welcher einen Ventilator, einen Wärmeübertrager, eine Adiabatik-Matte, eine Verschlussvorrichtung sowie einen Ansaugraum aufweist, wobei der Ventilator aus dem Ansaugraum über den Wärmeübertrager Luft fördernd, insbesondere ansaugend, angeordnet ist. Der Ansaugraum grenzt somit an den Wärmeübertrager. Der Ansaugraum wird weiterhin begrenzt von einer Adiabatik-Matte und einer Verschlussvorrichtung. Die Verschlussvorrichtung ist in der Lage eine Teilfläche des Ansaugraumes gegenüber der Umgebung annähernd luftdicht auszubilden, so dass keine Luft aus der Umgebung über diese Teilfläche des Ansaugraumes in diesen einzudringen vermag, wenn die Verschlussvorrichtung geschlossen ist. Bei geöffneter Verschlussvorrichtung kann Umgebungsluft ungehindert, also ohne nennenswerten Strömungswiderstand, in den Ansaugraum einströmen. Unter einer Adiabatik-Matte wird eine Befeuchtungseinrichtung für die Matte durchströmende Luft verstanden.
Bevorzugt sind mehrere Ventilatoren, Wärmeübertrager und Adiabatik-Matten und zugehörige Verschlusseinrichtung modulartig zu einem Rückkühler zusammengefasst.
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Bevorzugt ist für einen energieeffizienten Betrieb des adiabatischen Rückkühlers eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, welche das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten des Systems steuert beziehungsweise entsprechend regelt.
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Besonders vorteilhaft ist am adiabatischen Rückkühler eine steuer- und regelbare Wasserverteileinrichtung zur Befeuchtung der Adiabatik-Matten angeordnet, um einen verbrauchsoptimierten Betrieb des Rückkühlers zu gewährleisten.
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Bevorzugt ist der Ansaugraum quaderförmig ausgebildet, wobei die obere horizontale Begrenzung des Ansaugraumes durch den Wärmeübertrager mit darüber sitzendem saugendem Ventilator und die vertikalen längsseitlichen Begrenzungen durch die Adiabatik-Matten realisiert werden. Die vertikale Verschlussvorrichtung ergänzt die längsseitlichen Begrenzungen des Ansaugraumes als zumindest eine stirnseitige Begrenzung des Ansaugraumes. Die horizontale untere Begrenzung des Ansaugraumes ist als Bodenplatte ausgeführt oder alternativ als horizontale Verschlussvorrichtung sofern der adiabatische Rückkühler in aufgeständerter Bauweise ausgeführt und somit von unten Luft ansaugbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Ausbildung der Verschlussvorrichtung als Jalousie aus verstellbaren Lamellen, über welche eine Seite des Ansaugraumes verschließbar ausgebildet ist. Alternativ kann die Verschlussvorrichtung beispielsweise in der Art eines Rolltores mit Planen beziehungsweise Folien ausgebildet sein, womit in effizienter Weise gleichfalls die betreffenden Seitenflächen des Ansaugraumes verschlossen werden können.
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Die Adiabatik-Matten zur Befeuchtung der in den Ansaugraum einströmenden Luft sind bevorzugt aus zellulosehaltigen Material ausgebildet, wobei die Matten vorzugsweise mit Wasser berieselt oder besprüht werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Adiabatik-Matten mit einer zusätzlichen Verschlussvorrichtung ausgestaltet, die in geschlossenem Zustand eine Durchströmung der Adiabatik-Matten mit Luft verhindert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des adiabatischen Rückkühlers besteht weiterhin darin, dass zur Trockenkühlung des Wärmeübertragers die Verschlussvorrichtung geöffnet und Luft ungehindert in den Ansaugraum einströmen kann.
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Erfindungsgemäß ist zur adiabatischen Kühlung die Verschlussvorrichtung geschlossen, wodurch die Luft nur über die Adiabatik-Matten und die damit verbundene Befeuchtung und adiabate Kühlung der Luft in den Ansaugraum einströmen kann.
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Die Steuer- und Regeleinrichtung steuert vorzugsweise die Ventilatordrehzahl, die Adiabatik-Wasserzufuhr sowie den Zustand der Verschlussvorrichtung, um einen effizienten Betrieb des adiabatischen Rückkühlers zu realisieren.
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Die Konzeption der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass Luft als Kühlmittel über einen Ansaugraum in den Wärmeübertrager gefördert wird. Umgebungsluft gelangt durch mindestens zwei Strömungspfade mit verschieden großem Strömungswiderstand in den Ansaugraum, wobei der Strömungspfad mit dem kleineren Strömungswiderstand absperrbar ausgebildet ist.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Umgebungsluft durch die Adiabatik-Matte hindurch in den Ansaugraum eingesaugt, wobei ein gewisser Strömungswiderstand durch die Matte prinzipgemäß vorhanden ist.
Ein weiterer durch die Verschlussvorrichtung absperrbarer Strömungspfad der Umgebungsluft besteht durch eine offene stirnseitige Gehäusebegrenzung des Ansaugraumes des Rückkühlers, die je nach Regelungszustand verschlossen oder geöffnet ist. Begrenzt die Verschlussvorrichtung den Strömungspfad in geschlossener Stellung, wird die Umgebungsluft durch die Adiabatik-Matte hindurch in den Ansaugraum und von diesem über den Wärmeübertrager zur Kühlung des Kältemittels beziehungsweise des zu kühlenden Mediums gefördert. Wird der Strömungspfad von der Verschlussvorrichtung freigegeben, so strömt die Umgebungsluft auf dem Weg des geringsten Widerstandes durch die offene stirnseitige Wand in den Ansaugraum und von diesem in den Wärmeübertrager.
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Das Konzept besteht somit in einer durch eine Verschlussvorrichtung verschließbaren Raumöffnung des Ansaugraumes, wobei in Abhängigkeit des Öffnungszustands die Umgebungsluft ohne adiabater Kühlung direkt oder mit adiabater Kühlung über die Adiabatik-Matte in den Ansaugraum einströmt.
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Nach einer vorteilhaften geometrischen Ausgestaltung der Erfindung ist der Rückkühler quaderförmig mit einem horizontalen Wärmeübertrager ausgestattet, der Verdunstungsmatten entlang der vertikalen Längsseiten des Gerätes aufweist. Die Verdunstungsmatten, auch als Adiabatik-Matten bezeichnet, werden durch ein oberhalb der Matten angeordnetes Wasserverteilsystem mit Wasser berieselt und sorgen somit für eine Vorkühlung der Ansaugluft. Die im Trockenbetrieb stirnseitige, freie Ansaugfläche des Ansaugraumes kann im Hybridbetrieb des Gerätes mit einer Jalousie als Verschlussvorrichtung verschlossen werden, wodurch die Luftführung durch die Verdunstungsmatten erzwungen wird. Je nach Ausgestaltung des adiabatischen Rückkühlers kann auch unterhalb des Gerätes eine Luftabschottung mittels der Jalousie als eine horizontale Verschlussvorrichtung erfolgen. Dies ist ab einer bestimmten Gerätelänge vorteilhaft, um die freie Ansaugung der mittleren Ventilatoren im Trockenbetrieb gewährleisten zu können.
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Die Befeuchtung der Adiabatik-Matten kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Neben der Besprühung der Adiabatik-Matten mit Sprühdüsen in und gegen die Luftrichtung, hat sich die Berieselung der Matten über ein speziell ausgelegtes Verteilsystem als vorteilhafte Lösung erwiesen. Für Reinigungs- und Wartungsarbeiten sind die Ventilatoren klappbar ausgeführt, um die Lamellen des Wärmeübertragerblockes von beiden Seiten gut erreichen zu können.
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Die Regelung der Mattenberieselung, die Schaltzeiten, die Schaltintervalle und die Umschalttemperaturen als auch die Ansteuerung der Jalousieklappen der Verschlusseinrichtung erfolgt jeweils in direkter Abhängigkeit voneinander über ein spezielles Regelsystem. Dieses Regelsystem bietet ebenfalls Schnittstellen zu spezifischen Gebäudeleitsystemen in Abhängigkeit der verschiedenen Anwendungen. Auch werden über dieses Steuer- und Regelsystem alle Ventile und Ventilatoren angesteuert und geregelt.
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Die Vorteile der Erfindung sind vielfältig.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die dem Wärmeübertrager vorgelagerte Luftbefeuchtung der Adiabatik-Matten die Lamellen des Wärmeübertragerblockes nicht direkt mit dem Wasser benetzt werden und somit kein Tropfenmitriss vom Wärmeübertrager erfolgen kann. Somit wird eine wartungs- und kosten- und leistungsoptimierte Lösung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des adiabatischen Rückkühlers zur Verfügung gestellt.
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Durch die horizontale Ausführung des Wärmeübertragerblocks ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine selbstentleerende Ausführung des Gerätes einfach und zuverlässig umsetzbar.
Ebenso werden durch die Lineareinströmung des Ventilators bessere Schallwerte ermöglicht und der Ventilator läuft stabil in seinem jeweiligen Betriebspunkt.
Im Trockenbetrieb des Gerätes wird durch die stirnseitig offenen Ansaugflächen ein geringerer luftseitiger Druckverlust erzeugt, wodurch die Ventilatoren und somit das Gesamtgerät energieeffizienter betrieben werden können. Je Betriebsart des Gerätes werden die Ventilatoren in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben.
Die Verdunstungsmatten, auch als Adiabatik-Matten bezeichnet, ermöglichen eine Unterschreitung der Trockenlufttemperatur und gewährleisten somit eine erhöhte Rückkühl- beziehungsweise Verflüssigungsleistung des Gerätes im Fall von auftretenden Spitzenlasten im Betrieb der Kälteanlage.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Adiabatischer Rückkühler in perspektivischer Darstellung,
- 2: Adiabatischer Rückkühler in der Seitenansicht und
- 3: Adiabatischer Rückkühler in einer stirnseitigen Ansicht.
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Die 1, 2 und 3 zeigen eine Ausgestaltung eines adiabatischen Rückkühlers 1 in einer Konfiguration mit mehreren Ventilatoren 2, welche paarweise entlang einer Längsachse einer quaderförmigen Geometrie angeordnet sind. Den Ventilatoren 2 sind Wärmeübertrager 3 zugeordnet. Die Ventilatoren sind in saugender Anordnung gemäß der Ausgestaltung über den Wärmeübertragern 3 platziert. Unterhalb der Wärmeübertrager 3 ist der Ansaugraum 8 ausgebildet, aus welchem die Luft durch die Wärmeübertrager 3 von den Ventilatoren 2 gefördert wird. Der Ansaugraum 8 wird seitlich begrenzt durch Adiabatik-Matten 4, die entlang der seitlichen Flanken des Quaders am adiabatischen Rückkühler 1 angeordnet sind. Die Stirnfläche des Ansaugraumes 8 ist durch eine vertikale Verschlussvorrichtung 6 verschließbar. Durch diese Stirnfläche des Ansaugraumes 8 wird die Umgebungsluft bei geöffneter vertikaler Verschlussvorrichtung direkt in den Ansaugraum 8 bei Betrieb der Ventilatoren 2 eingesaugt. Ist die vertikale Verschlussvorrichtung 6 beispielsweise geschlossen, so wird bei laufendem Betrieb der Ventilatoren die Umgebungsluft über die Adiabatik-Matten 4 in den Ansaugraum 8 einströmen und von diesen über die Wärmeübertrager 3 durch die Ventilatoren 2 gefördert. In dieser Konstellation wird die Umgebungsluft einer adiabatischen Kühlung durch eine Befeuchtung in den Adiabatik-Matten 4 zugeführt. Die Befeuchtung wird durch eine Berieselung der Adiabatik-Matten mittels Wasserverteileinrichtung 5 vorgenommen. Dabei werden die Adiabatik-Matten 4 mit Wasser berieselt, welches bei der nachfolgenden Verdunstung Wärme aus dem die Adiabatik-Matten 4 durchströmenden Umgebungsluftstrom aufnimmt und diesen somit kühlt.
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In 3 ist eine Erweiterung des Systems dergestalt dargestellt, dass der Boden des adiabatischen Rückkühlers 1 als Ansaugfläche für den Ansaugraum 8 durch eine horizontale Verschlussvorrichtung 7 gebildet wird. Dazu ist der adiabatische Rückkühler 1 aufgeständert, so dass auch durch die untere horizontale Begrenzung des Ansaugraumes 8 Luft in diesen einströmen kann, sofern die horizontale Verschlussvorrichtung 7 geöffnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- adiabatischer Rückkühler
- 2
- Ventilator
- 3
- Wärmeübertrager
- 4
- Adiabatik-Matten
- 5
- Wasserverteileinrichtung
- 6
- vertikale Verschlussvorrichtung
- 7
- horizontale Verschlussvorrichtung
- 8
- Ansaugraum
