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Die Erfindung betrifft eine Hybridkühlanordnung, welche insbesondere als Komponente für die Verflüssigung von Kältemitteln in Kälteanlagen geeignet ist. Unter der Bezeichnung Hybridkühlanordnung sind auch Trockenkühltürme als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager zusammengefasst, welche um die Funktion der hybriden Betriebsweise luftgestützter Kühlung erweitert sind. Die hybride Betriebsweise umfasst dabei die Funktion der Benetzung der luftseitigen Wärmeübertrageroberflächen mit einem Kühlmittel, insbesondere Wasser, und damit die Unterstützung der Kühlung des Kältemittels durch die Verdunstung eines Kühlmittels auf der Luftseite des Wärmeübertragers.
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Hybridkühlanordnungen bestehen dabei üblicherweise selbst aus verschiedenen Komponenten, wie Wärmeübertragern und Ventilatoren sowie Benetzungsvorrichtungen, die innerhalb der Anordnung in einer speziellen Weise zueinander positioniert und verknüpft sind, um beispielsweise heißes Kältemittelgas eines Kältemittelkreislaufs auf einem hohen Druckniveau zu kondensieren beziehungsweise zu verflüssigen.
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Bei hybrid betriebenen Wärmeübertragern strömt das Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, als Kühlmittel eines halboffenen Kühlmittelkreislaufes auf der Luftseite über die durch Lamellen oder Ähnliches vergrößerte Wärmeübertrageroberfläche und auf der anderen Seite des Wärmeübertragers strömt das zu kühlende Fluid, insbesondere das zu kondensierende Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes durch die Rohre des Wärmeübertragers. In der Anwendung zur Kühlung mit Luft ist der Wärmeübertrager in aller Regel als Lamellenwärmeübertrager ausgebildet. Die vom Kältemittel abzugebende Wärme wird über die Oberfläche der Lamellen an den Luftstrom übertragen. Der Luftstrom wird mittels Gebläse über die Lamellen und um die Rohre des Wärmeübertragers gefördert.
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Im Stand der Technik sind Hybridkühlanordnungen bekannt, die auch als Trockenkühlturm mit hybride Betriebsweise oder hybride Trockenluftkühler bezeichnet werden.
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Beispielsweise ist aus der
EP 428 647 B1 ein hybrider Trockenluftkühler bekannt, bei dem das zu kühlende Medium eines primären Kühlkreislaufes einen Lamellenwärmeübertrager durchströmt und über die Kühllamellen die abzuführende Wärme an einen Luftstrom abgegeben wird. Ventilatoren saugen den Luftstrom durch den Wärmeübertrager hindurch und das Benetzungswasser eines sekundären Kreislaufes wird aus einer im Kühler integrierten Sammelschale in offene Kanäle über zwei V-förmig angeordnete Wärmeübertrager gepumpt. Unmittelbar unter den Wärmeübertragerelementen tropft das überschüssige Wasser in die Sammelschale zurück und wird schließlich im Kreislauf geführt.
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Weiterhin ist aus der
DE 298 05 111 U1 ein Trockenkühlturm für die hybride Verflüssigung von Kältemitteln bekannt, bei dem der das Kältemittel kühlende Wärmeübertrager in zwei Komponenten funktional getrennt wird. Dabei wird ein Wärmeübertrager für die Enthitzung des Heißgases, des überhitzten Kältemittelgases, eingesetzt. Der Enthitzer wird dabei durch trockene Umgebungsluft gekühlt. Weiterhin ist ein funktional vom Enthitzer getrennter Wärmeübertrager als Kondensator für das Kältemittelgas vorgesehen, der mit Wasser benetzbar ist und somit hybrid für die Verflüssigung des Kältemittels betrieben werden kann. Sowohl der Enthitzer als auch der Kondensator sind mit ihrer Längsachse zur Längsachse des Trockenkühlturmes geneigt und V-förmig im Trockenkühlturm angeordnet. Dabei sind der Enthitzer und der Kondensator so zueinander versetzt, dass die untere Stirnseite des Enthitzers nur einen Teil der oberen Stirnseite des Verflüssigers bedeckt. Im Bereich des freibleibenden Teils der oberen Stirnseite ist eine Benetzungsvorrichtung mit Kühlmittel für den Kondensator vorgesehen, um die hybride Betriebsweise mit der Nasskühlung realisieren zu können.
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Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Hybridkühlanordnungen ist, dass diese Komponenten ein sehr großes Bauvolumen aufweisen und es besteht ein Bestreben der Fachwelt darin, die Komponenten kompakter auszubilden, ohne jedoch Abstriche an die Effizienz der Hybridkühlanordnungen zu machen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Hybridkühlanordnung derart weiterzubilden, dass bei gleichbleibender oder besserer Effizienz der Kühlung eine kompaktere Bauweise möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere dadurch gelöst, dass die Hybridkühlanordnung für Kältemittel zunächst drei Wärmeübertrager aufweist. Davon ist ein Wärmeübertrager als Enthitzer vorgesehen und zwei Wärmeübertrager sind als Kondensatoren ausgebildet, die auf der luftseitigen Wärmeübertragerfläche mit Kühlmittel benetzbar sind. Die Kondensatoren sind zueinander V-förmig in der Hybridkühlanordnung im unteren Bereich derselben angeordnet. Weiterhin ist eine Kühlmittelbenetzungsvorrichtung für die Kondensatoren ausgebildet und zur Erzeugung einer Strömung von Kühlluft durch die Kondensatoren hindurch sind entsprechende Ventilatoren an beziehungsweise in der Hybridkühlanordnung angeordnet. Die Kondensatoren sind V-förmig mit ihrer Längsachse geneigt zur Längsachse der Hybridkühlanordnung in der Hybridkühlanordnung positioniert. Weiterhin ist neben der funktionalen Trennung der Wärmeübertragungsaufgaben, der Enthitzung und der Verflüssigung des Kältemittels, der Enthitzer für das überhitzte Kältemittel im oberen Bereich der V-förmig angeordneten Kondensatoren zwischen den zueinander angeordneten Stirnseiten der Kondensatoren auch lokal und räumlich getrennt von den Kondensatoren angeordnet. Der Enthitzer und die Kondensatoren sind derart zueinander positioniert, dass die Kühlluft erst einen Kondensator und anschließend den Enthitzer durchströmt.
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Bevorzugt ist der Enthitzer von der Kühlluft in Richtung der Längsachse der Hybridkühlanordnung durchströmbar angeordnet.
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Weiterhin wird der Enthitzer mittig zwischen den V-förmig angeordneten Kondensatoren und oberhalb der V-förmig angeordneten Kondensatoren und zu diesen beabstandet in der Hybridkühlanordnung vorteilhaft positioniert.
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Vorzugsweise sind die Kondensatoren in Bezug auf den Kältemittelkreislauf parallel oder in Reihe durchströmbar verschaltet.
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Besonders bevorzugt wird die gesamte die Hybridkühlanordnung durchströmende Kühlluft durch den Enthitzer geleitet. Zu diesem Zweck wird der sich zwischen den V-förmigen Kondensatoren bildende Innenraum nach oben vom quer angeordneten Enthitzer abgeschlossen und gegebenenfalls Übergangsbereiche und freie Öffnungen durch Begrenzungswände geschlossen, so dass sich eine segmentierter und abgeschlossener Strömungsraum zwischen den Wärmeübertragern ergibt. Der Kühlluftstrom muss dann zwangsläufig durch die Kondensatoren in diesen Raum eintreten und durch den Enthitzer aus diesem Raum austreten.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Enthitzer luftseitig Mittel zur Tropfenabscheidung von Kühlmittel in Form von Schikanen oder Lamellen aufweist und/oder das vor dem Enthitzer im Strömungsraum zwischen den Wärmeübertragern Mittel zur Tropfenabscheidung aus der Kühlluft angeordnet sind.
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Die Kühlmittelbenetzungsvorrichtung wird aus einer Kühlmittelpumpe, einer Kühlmittelaufgabeeinheit, einer Kühlmittelauffangwanne für von den Kondensatoren abtropfendes Kühlmittel sowie einer Kühlmittelzufuhr für verbrauchtes Kühlmittel und einer Steuereinrichtung zum Betreiben des Kühlmittelkreislaufes vorteilhaft ausgeführt.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Erzeugung einer Strömung von Kühlluft durch die Kondensatoren hindurch als Axialventilatoren ausgebildet.
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Bevorzugt sind die Axialventilatoren oben auf der Hybridkühlanordnung angeordnet und saugen die Kühlluft durch die Hybridkühlanordnung hindurch, wobei die Kühlluft von außen zunächst über die Kondensatoren und dann über den Enthitzer angesaugt und durch die Axialventilatoren in die Umgebung gefördert wird.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Bypass für trockene Kühlluft innerhalb des Kühlluftstromes auf dem Strömungsweg durch die Kondensatoren oder auf einem Strömungsweg außerhalb der Kondensatoren ausgebildet, um in speziellen Einsatzfällen dem Enthitzer trockene Kühlluft zuführen zu können.
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Die Konzeption der Erfindung besteht somit in der speziellen Anordnung des Enthitzers in Bezug zu den Kondensatoren, die auch als Verflüssiger bezeichnet werden. Dabei ist der Enthitzer der Hybridkühlanordnung zur Wärmeübertragung im oberen, offenen Bereich der V-förmig angeordneten Verflüssiger zwischen den beabstandet zueinander angeordneten Stirnseiten der Verflüssiger positioniert und in Richtung der Stirnseiten ausgerichtet. Der Enthitzer liegt auf der horizontalen Verbindungslinie der Stirnseiten der Verflüssiger mit seiner Hauptausdehnung beziehungsweise der Längsausdehnung. Der Enthitzer und die Verflüssiger sind zudem beabstandet zueinander positioniert, so dass eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung von einer Komponente zur anderen weitestgehend ausgeschlossen ist. Auch ist durch die Beabstandung des Enthitzers zu den Kondensatoren die Wärmeübertragung durch Strahlung reduziert. Konzeptionsgemäß durchströmt die Kühlluft in der Hybridkühlanordnung immer zuerst die Kondensatoren und anschließend, in der hybriden Betriebsweise befeuchtet oder in der trockenen Betriebsweise unbefeuchtet, den Enthitzer. Ein wesentlicher Vorteil der Trennung der Komponenten Enthitzer und Kondensator besteht darin, dass der Enthitzer ohne Befeuchtung gekühlt wird und damit Kühlmittel eingespart werden kann. Die Wärmeübertragungsflächen des Kondensators können kleiner dimensioniert werden und damit ist der Wärmeübertrager und die gesamte Hybridkühlanordnung kompakter ausführbar. Bei im Stand der Technik bekannten Ausführungsformen von Trockenkühltürmen in hybrider Bauweise sind größere Bauvolumina erforderlich, die durch eine konsequente funktionale Trennung verbunden mit der räumlichen Trennung der Komponenten, mit vom Temperaturniveau abweichenden Wärmeübertragungsaufgaben im vorliegenden Fall reduziert werden können.
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Im Ergebnis ist die erfindungsgemäße Hybridkühlanordnung als Hauptvorteil kompakter ausgeführt und ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Trennung des Enthitzers vom Kondensator zu geringeren durch Temperaturdifferenzen verursachten Spannungen in und zwischen den Komponenten führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Enthitzer mit dem gesamten, vom Ventilator angesaugten Luftmassenstrom zur Kühlung beaufschlagt wird, wobei im Stand der Technik lediglich mit einem Teilmassenstrom der Kühlluft der Enthitzer gekühlt wird. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann ein besserer Wärmeübergang auf der Luftseite erreicht werden und eine größere Wärmemenge abgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung des Enthitzers mittig und im oberen Bereich der Hybridkühlanordnung besteht darin, dass die Zugänglichkeit zu den einzelnen Komponenten innerhalb der Hybridkühlanordnung zu Wartungs- und Montagezwecken verbessert wird. Auch führt die Trennung zu kälteren Bereichen innerhalb der Hybridkühlanordnung. Hinsichtlich der Kältemittelführung ergibt sich vorteilhaft ein zentraler Eintritt in der Mitte der Hybridkühlanordnung in den Enthitzer und nach der Enthitzung eine Aufteilung der Kältemittelteilmassenströme auf die Kondensatoren. Wie erwähnt, besteht der wesentliche Vorteil in einer geringeren Baugröße bei gleicher oder sogar verbesserter Effizienz durch die unterschiedliche Lage und Positionierung der einzelnen Komponenten der Hybridkühlanordnung zueinander. Durch die Beabstandung des Enthitzers als dem heißesten Bauteil innerhalb der Hybridkühlanordnung von den Kondensatoren wird auch der Einfluss der Strahlungswärmeübertragung auf die Kondensatoren und einer damit einhergehender Verschlechterung der Effizienz der gesamten Hybridkühlanordnung entgegengewirkt.
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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:
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1: Schematisierte Seitenansicht der Hybridkühlanordnung,
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2: Schematisierte Draufsicht auf die Hybridkühlanordnung,
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3: Perspektivische Ansicht der Hybridkühlanordnung.
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In 1 ist eine Hybridkühlanordnung 1 schematisiert in der Seitenansicht im Schnitt dargestellt. Die Hybridkühlanordnung 1 besitzt eine Längsachse 7 zu der die Komponenten im Wesentlichen symmetrisch ausgerichtet und angeordnet sind. In der Hybridkühlanordnung 1 sind mindestens drei Wärmeübertrager angeordnet. Zwei Wärmeübertrager sind Kondensatoren 3, welche mit ihren Längsachsen 8 zueinander V-förmig und somit schräg zur Längsachse der Hybridkühlanordnung 1 angeordnet sind. Die oberen Stirnseiten 9 der Kondensatoren 3 sind dabei weiter voneinander beabstandet als die unteren Stirnseiten. Zwischen den oberen Stirnseiten 9 der Kondensatoren 3 ist der dritte Wärmeübertrager, der Enthitzer 2, im oberen Bereich der V-förmig angeordneten Kondensatoren 3 platziert. Der Enthitzer 2 wird zentral mit dem je nach Betriebsweise häufig überhitzten Kältemittel versorgt, welches zunächst im Enthitzer 2 enthitzt und auf Kondensationstemperatur gebracht wird. Funktionsgemäß befindet sich der Enthitzer 2 somit im Bereich der Verdichtungsendtemperatur des Kaltdampfprozesses und liegt damit zum Teil deutlich über der Kondensationstemperatur des Kältemittels. Ziel der funktionalen Trennung von Enthitzung und Kondensation ist eine effiziente Ausnutzung der Wärmeübertrageroberflächen, verbunden mit einer Minimierung der Baugröße oder entsprechend einer Vergrößerung der Leistung der Hybridkühlanordnung 1 bei gleicher Baugröße im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Trockenkühltürmen in hybrider Bauweise. In der Hybridkühlanordnung 1 wird ein Kühlluftstrom aus Kühlluft 10 erzeugt, wobei Axialventilatoren 4 auf der Hybridkühlanordnung 1 angeordnet sind und Kühlluft 10 aus den unteren Bereichen der Hybridkühlanordnung 1 seitlich ansaugen. Die Kühlluft 10 strömt somit von außen durch die Kondensatoren 3 hindurch in den sich durch die V-förmige Anordnung der Kondensatoren 3 ergebenden zentralen Raum und gelangt erwärmt weiter nach oben, durchströmt den Enthitzer 2 und wird schließlich vom Axialventilator 4 jeweils nach außen in die Umgebung gefördert.
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Die Hybridkühlanordnung 1 kann sowohl in der sogenannten trockenen Betriebsweise betrieben werden, wobei die Umgebungsluft als Kühlluft 10 ohne Befeuchtung die Kondensatoren 3 und den Enthitzer 2 durchströmt und erwärmt dann die Hybridkühlanordnung 1 verlässt. In der Betriebsweise mit Benetzung des Kühlluftstromes erfolgt durch eine Benetzungsvorrichtung die Beaufschlagung der Kondensatoren 3 mit Kühlmittel, wobei Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen als Kühlmittel zur Anwendungen kommen. Das Kühlmittel wird über die Kühlmittelpumpe 5 der Benetzungsvorrichtung zu einer Kühlmittelaufgabeeinheit 13 an den Kondensatoren 3 gefördert. Das Kühlmittel benetzt nachfolgend auf der Luftseite der Kondensatoren 3 die Wärmeübertrageraußenfläche und führt durch Verdunstung zu einer zusätzlichen Wärmeaufnahme der bei der Kondensation des Kältemittels im Wärmeübertrager frei werdenden Wärme. Die Kühlluft 10 wird dadurch befeuchtet und durchströmt als feuchte und im Vergleich zur Umgebung angewärmte Luft dann den Enthitzer 2, welcher sich, wie bereits dargelegt, auf einer sehr hohen Enthitzungstemperatur befindet.
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Dabei wird der gesamte Kühlluftmassenstrom, der durch die V-förmig angeordneten Kondensatoren 3 in die Hybridkühlanordnung 1 eintritt durch den Enthitzer 2 geführt. Die Benetzungsvorrichtung wird ergänzt durch eine Kühlmittelauffangwanne 11, welche nicht verdunstetes und von den Kondensatoren 3 abtropfendes Kühlmittel auffängt und im Bodenbereich der Hybridkühlanordnung sammelt. Die Kühlmittelpumpe 5 fördert dann das nicht verdunstete Kühlmittel wieder zur schematisch dargestellten Kühlmittelaufgabeeinheit 13. Das verdunstete Kühlmittel wird ersetzt durch eine Kühlmittelzufuhr 12, welche gesteuert eine ausreichende Kühlmittellänge für den Kreislauf des Kühlmittels innerhalb der Hybridkühlanordnung 1 sichert. Das zentral im Enthitzer 2 ankommende Kältemittel wird schließlich über eine Kältemittelverteilung 6 auf die Kondensatoren 3 verteilt und nachfolgend verflüssigt zusammengeführt im Kältemittelkreislauf weitergeführt.
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In 2 ist die Hybridkühlanordnung 1 in der Draufsicht von oben dargestellt. Die Axialventilatoren 4 sind in zwei Reihen auf der Hybridkühlanordnung 1 positioniert und unter den Axialventilatoren 4 sind schematisch der Enthitzer 2 sowie die beiden oberen Stirnseiten 9 der Kondensatoren 3 gezeigt.
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Zur Vervollständigung ist schließlich in 3 eine perspektivische Ansicht der Hybridkühlanordnung 1 gezeigt, wobei der rahmenartige Aufbau und die Halterung für die Kondensatoren 3 und den Enthitzer 2 zu sehen sind. Der Enthitzer 2 wird mittels dem Kältemittelverteiler 14 mit Heißgas beaufschlagt und das enthitzte Kältemittel gelangt durch den Kältemittelsammler 15 in zwei Massenströme aufgeteilt zu den Kondensatoren 3, wo eine Verteilung und eine Sammlung des Kältemittels an den Stirnseiten jeweils prinziphaft dargestellt ist. Weiterhin befindet sich an der Stirnseite eine nicht näher bezeichnete Revisionsöffnung, über welche der V-förmige und nach oben durch den Enthitzer 2 getrennte Innenraum der Hybridkühlanordnung 1 zu Wartungs- und Reparaturzwecken begehbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridkühlanordnung
- 2
- Enthitzer
- 3
- Kondensator
- 4
- Axialventilator
- 5
- Kühlmittelpumpe
- 6
- Kältemittelverteilung
- 7
- Längsachse der Kühlanordnung
- 8
- Längsachse des Kondensators
- 9
- Stirnseite
- 10
- Kühlluft
- 11
- Kühlmittelauffangwanne
- 12
- Kühlmittelzufuhr
- 13
- Kühlmittelaufgabeeinheit
- 14
- Kältemittelverteiler
- 15
- Kältemittelsammler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 428647 B1 [0005]
- DE 29805111 U1 [0006]
