EP2242962B1

EP2242962B1 - Modulare klimatechnische anlage sowie verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number: EP2242962B1
Application number: EP08700535.1A
Authority: EP
Inventors: Remo Meister
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: DE202008002015U1; EP2242962A1; US20100287960A1; WO2009094788A1

Description

Es ist seit längerem bekannt ( US-B 1-6,185,946 ), in Klimaanlagen eine Mehrzahl von gleichartigen Untersystemen parallel zu schalten und arbeiten zu lassen, um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu steigern, wobei während des Betriebs je nach den Erfordernissen Untersysteme an- oder abgeschaltet werden. Über die Art der Parallelschaltung werden im Einzelnen keine weiteren Aussagen gemacht.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung zum Temperieren einer Flüssigkeit bekannt ( DE-93 19 004U ), bei der eine Mehrzahl von aneinander anbaubaren, jeweils eine Kältemaschine enthaltenden Kühleinheiten vorhanden sind, wobei der Vor- und Rücklaufweg für die zu temperierende Flüssigkeit stückweise durch die einzelnen Kühleinheiten zusammengesetzt wird. Entsprechend ist es unmöglich, die Anlage zu erweitern oder eine Kühleinheit auszutauschen, ohne den Betrieb der Gesamtanlage einzustellen. Dasselbe gilt auch für die in der DE-A1-36 13 535 offenbarte modulare Behandlungsvorrichtung für Fluide.
Aus der EP-A2-1 072 849 ist eine Kälteanlage mit indirektem Kühlsystem bekannt, bei dem eine Mehrzahl von eigenständigen Primärmodulen einen Primärkreislauf bilden, der mit entsprechenden Sekundärkreisläufen verbunden ist. Die Primärmodule werden in einem die Primärmodule aufnehmenden Rahmen angeordnet und über ein auf die Primärmodule abgestimmtes Anschlusssystem an den Sekundärkreislauf bzw. die Sekundärkreisläufe angeschlossen. Das Anschlusssystem umfasst einerseits die Stromversorgung und andererseits einfach handhabbare Anschlussstellen an den jeweiligen Vor- und Rücklauf des Sekundärkreislaufs. Damit wird erreicht, dass die kältetechnischen Einrichtungen in den (gekapselten) Primärmodulen konzentriert sind, und die übrigen Anschluss- und Wartungsarbeiten von kältetechnisch nicht geschultem Personal durchgeführt werden können. Über die konstruktive Ausgestaltung des Anschlusssystems und der Sekundärkreisläufe werden keine näheren Angaben gemacht.
Aus der WO-A1-1986/000977 ist eine modulare Kälteanlage bekannt, bei der die Module jeweils einzelne Rohrstücke umfassen, die nach dem Zusammenbau durch Rohrkupplungen miteinander zu einer durchgehenden Leitung beziehungsweise verbunden werden müssen. Dies besagt nichts anderes, als dass beim Herausnehmen eines Moduls die Sammelleitungen zwangsweise unterbrochen und die Lücken durch eingesetzte Überbrückungsleitungen geschlossen werden müssen. Dies kann jedoch naturgemäss nicht bei laufender Anlage geschehen.
Aus der WO-A1-2004/020918 des Anmelders ist schliesslich eine klimatechnische Anlage bekannt, bei der durch Modulbauweise (Kältesätze), Frequenzregelung der Kältemittelverdichter, Parallelschaltung der Kältemittelverdichterkreisläufe, Zweistufenverdampfung mit interner Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung, Zwei- oder Mehrstufenunterkühlung, Verlagerung und Speicherung der Kälteenergie von Zeiten mit wenig Bedarf nach Zeiten mit hohem Bedarf, integrierte Abwärmenutzung, Kaskaden- und Notbetrieb auf Modul-, Anlagen- oder Systemebene besondere Vorteile bzgl. Betriebssicherheit, Betriebskosten, Unterhaltskosten, einfacher Anlagentechnik, einfacher Leistungsanpassung an benötigte Kälteleistung (Ausbauetappen) und einfache und flexible Anpassung an mögliche Abwärmenutzungen erzielt werden. Auch hier werden über die konstruktive Ausgestaltung des Gesamtsystems keine näheren Angaben gemacht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine modular aufgebaute klimatechnische Anlage zu schaffen, die sich einfach und ohne Schwierigkeiten in normalen Räumen aufbauen lässt, sich leicht an unterschiedliche klimatechnische Anforderungen anpassen lässt, und insbesondere einen Austausch von Modulen bzw. ein Hinzufügen von weiteren Modulen bei laufendem Betrieb ermöglicht, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1, 18 und 19 gelöst.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass für mehrere Module ein aus Sammelrohren aufgebauter, gemeinsamer Kollektor vorgesehen ist, an welchen die Module lösbar angeschlossen sind, und der die Module mit dem jeweiligen gemeinsamen Sekundärkreis verbindet. Der Kollektor bildet eine eingeständige Einheit, die einen oder mehrere vollständige Sekundärkreisläufe zur Verfügung stellt, an die bei Bedarf Module angeschlossen oder abgehängt werden können, ohne dass die Sekundärkreisläufe unterbrochen oder beeinträchtigt werden.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sich der Kollektor mit seinen Sammelrohren horizontal in einer Längsrichtung erstreckt, dass am Kollektor in der Längsrichtung eine Reihe von Aufnahmeräumen zur Aufnahme von Modulen vorgesehen sind, dass die Sammelrohre oberhalb der Aufnahmeräume über mehrere Aufnahmeräume durchgehend ausgebildet sind, und dass zum Anschluss der Module an die Sammelrohre im Bereich eines Aufnahmeraumes jeweils entsprechende Abgänge an den Sammelrohren vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich auf besonders einfache Weise die Möglichkeit, mehrere Kollektoren hintereinander zu schalten, wenn noch mehr Module in die Anlage mit einbezogen werden sollen. Dazu können die Kollektoren insbesondere aneinanderreihbar ausgebildet sein.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung umfasst der Kollektor ein sich in der Längsrichtung erstreckendes, auf dem Boden stehendes Rahmengestell, in welchem die Aufnahmeräume zur Aufnahme der Module frei gelassen sind, wobei die Sammelrohre am Rahmengestell befestigt sind. Insbesondere sind die Sammelrohre im Rahmengestell oberhalb der Aufnahmeräume zur Aufnahme der Module gelagert, wobei die Sammelrohre im Rahmengestell in mehreren übereinander liegenden Ebenen gelagert sind. Dies erlaubt einen einfachen Einbau bzw. Austausch der Module, ohne dass Befestigungen an der Decke oder anderweitig im zugehörigen Raum notwendig sind.
Vorzugsweise weist der Kollektor pro Sekundärkreis jeweils zwei Sammelrohre für den Vorlauf bzw. Rücklauf des zugehörigen Sekundärmediums auf, wobei die Sammelrohre für den Vorlauf und die Sammelrohre für den Rücklauf auf unterschiedlichen Ebenen gelagert sind.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jedem der Module wenigstens ein, Regelmittel, insbesondere Regelventile, enthaltender Regelkreis zugeordnet Schaltschränke vorzugsweise jeweils am zugehörigen Modul befestigt sind. Ist der Schaltschrank am Modul befestigt, kann er mit Vorteil mit dem Modul zusammen als eine vorgefertigte und verdrahtete Einheit ausgeliefert werden. Fällt ein Modul aus, kann der Schaltschrank vor Entfernung des Moduls vom Modul abgebaut und provisorisch an den Kollektor gehängt werden.
Zur elektrischen Verbindung zwischen den Modulen und den zugehörigen Schaltschränken ist jeweils wenigstens ein Steuerkabel und ein Anschlusskabel vorgesehen ist, und dass zumindest die Verbindung mit dem Steuerkabel steckbar ausgebildet ist., um den Einbau und Ausbau eines Moduls zu vereinfachen. Alle Kabel zu den Systemkreisen (Pumpen, Ventile, Frequenzumformer, etc.) und das Kabel von dem Hauptverteiler (Vorsicherung) zum Schaltschrank werden vorzugsweise fest verdrahtet. Ebenso wird das Anschlusskabel vom Schaltschrank zum Verdichter aus Gründen der Einfachheit nicht steckbar ausgeführt, obgleich es grundsätzlich mittels Stecker verbunden werden könnte.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Module in seinem Kreislauf wenigstens einen Verdichter, ein, insbesondere steuerbares, Einspritzventil, einen Verdampfer und einen Kondensator umfasst, und dass die Aussenabmessungen der Module so gewählt sind, dass sie durch jede Tür mit einem freien Durchgang von 80 cm transportierbar sind. Zusätzlich kann eines oder mehrere Module einen interne Wärmetauscher IWT und ggf. einen Stabilisator aufweisen. Auch kann eines oder mehrere Module zusätzlich einen Enthitzer und/oder einen Unterkühler aufweisen.
Das eine erfindungsgemäss Verfahren zum Betrieb der modularen klimatechnischen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausfall eines der Module bei laufendem Betrieb die hydraulischen Verbindungen des ausgefallenen Moduls zum Kollektor unterbrochen, das Modul vom Kollektor abgehängt und durch ein neues Modul gleicher Art ersetzt, das neue Modul an den Kollektor angeschlossen und die hydraulischen Verbindungen zum Kollektor wiederhergestellt werden.
Das andere erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb der modularen klimatechnischen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Charakteristik oder Leistung der Anlage bei laufendem Betrieb die hydraulischen Verbindungen eines ausgewählten Moduls zum Kollektor unterbrochen, das Modul vom Kollektor abgehängt und durch ein neues Modul anderer Art oder Leistung ersetzt, das neue Modul an den Kollektor angeschlossen und die hydraulischen Verbindungen zum Kollektor wiederhergestellt werden, oder ein zusätzliches Modul an den Kollektor angeschlossen wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: das stark vereinfachte Blockschaltbild eines an sich bekannten Kältemoduls;
Fig. 1a: ein zu Fig. 1 vergleichbares Kältemodul mit zusätzlichem Stabilisator;
Fig. 2: den Anschluss eines vereinfachten Kältemoduls ähnlich Fig. 1 an einen Kollektor gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3: den Anschluss einer Vielzahl von Kältemodulen an einen Kollektor gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4: in der Frontalansicht einen aneinanderreihbaren Kollektor mit zwei eingeschobenen Modulen gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die jedem Modul zugeordneten Regelkreise RK nur als Blöcke angedeutet sind;
Fig. 5: verschiedene Arten von Regelkreisen RK mit und ohne (lokale) Pumpen, wie sie in Fig. 4 zum Einsatz kommen; und
Fig. 6: in Längsrichtung gesehen die Anordnung aus Fig. 4.

Die hier vorgeschlagene Lösung stützt sich zentral auf die Modultechnik. Die Modularität erstreckt sich dabei durch die gesamte Neuentwicklung und umfasst nach Möglichkeit sämtliche Bereiche. Bei den Kälteerzeugungsmodulen (wie in der WO-A1-2004/020918 früher bereits dargestellt) erstreckt sich die Modularität Ober den Bereich der Systemanwendung: Die gleichartig aufgebauten Module können als Wärmepumpen, Klimaanlagen, Kühlanlagen, Tielkühlanlagen etc. eingesetzt werden (verschiedene Einsatzbedingungen für verschiedene Prozesse sind möglich).
Die Modularität erstreckt sich aber auch über den Bereich der Bauweise: Es werden so oft wie möglich die selben Komponenten eingesetzt. Trotzdem soll auf Anwenderbedürfnisse individuell eingegangen werden können. So kann je nach Prozess und Anwenderwunsch bei identischer Bauweise das Kältemittel geändert werden. Zum Beispiel können die selben Module mit R134a oder R404a oder entsprechend anderen, geeigneten Kältemittel betrieben werden. Dies hat natürlich jeweils auch andere Leistungen, etc. zur Folge. Je nach Wunsch können verschiedene Verdichterfabrikate in die selben Module eingebaut werden, aber auch verschiedene Verdichterbauarten zur Anwendung kommen, wie z.B. Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Scrollverdichter, etc..
In Fig. 1 ist in stark vereinfachter Form ein beispielhaftes Modul M einer Kälteanlage wiedergegeben, wie es in der früheren Anmeldung WO-A1-2004,/020918 (siehe die dortige Fig. 4) beschrieben ist Das Modul M dieses Beispiels umfasst einen Kreislauf 11 für ein Kältemittel mit einem Verdichter 12, einem (geregelten) Einspritzventil 13 zum Entspannen des Kältemittels, einem Verdampfer 15 und einem Kondensator 17. Zusätzlich ist ein Interner Wärmetauscher (IWT) 14 vorgesehen, der insbesondere als zweite Verdampfungsstufe arbeiten kann, um den Betrieb zu stabilisieren, wenn mit einer grossen thermischen Länge des Wärmetauschers gearbeitet wird. Des weiteren können optional ein Enthitzer 16 und ein Unterkühler 18 im Kreislauf 11 eingesetzt werden. Wird auf Enthitzer 16 und Unterkühler 18 verzichtet, wird der Kreislauf 11 durch die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Verbindungsleitungen 19 und 20 geschlossen. Zusätzlich kann gemäss Fig. 1a zwischen dem Einspritzventil 13 und dem Verdampfer 15 ein Stabilisator 15' eingebaut werden, um den Kältekreislauf noch weiter zu stabilisieren und unerwünschte Regelschwankungen klein zu halten.
Die Sekundärseiten der Wärmetauscher 15,..,18 sind leitungsmässig aus dem Modul M herausgeführt und im einfachsten Fall über Absperrventile V1,..,V8 an in Fig. 1 nicht gezeigten Sekundärkreise angeschlossen, in denen mittels entsprechender Sekundärmedien die ausgetauschte Wärme bzw. Kälte weitergeleitet und genutzt wird. Zum Verdampfer 15 gehört dabei als Sekundärkreis ein Verdampferkreis in dem beispielsweise Sole zu einem Kühlregal oder anderen Kühlstellen geführt wird. Zum Kondensator 17 gehört entsprechend als Sekundärkreis ein Kondensatorkreis, der die beim Kondensieren entstehende Wärme an die Umgebung abführt oder anderweitig nutzt. Diese beiden Sekundärkreise müssen in jedem Fall angeschlossen werden. Sind im Modul M zusätzlich auch noch Unterkühler 18 und Enthitzer 16 eingesetzt, gibt es als zugehörige Sekundärkreise noch einen Unterkühlerkreis und einen Enthitzerkreis.
Gemäss der Erfindung ist nun für mehrere Module ein aus Sammelrohren aufgebauter, gemeinsamer Kollektor vorgesehen, an welchen die Module lösbar angeschlossen sind, und der die Module mit dem jeweiligen gemeinsamen Sekundärkreis verbindet. In Fig. 2 ist diese "Kollektierung" für ein einzelnes Modul M ohne Enthitzer und Unterkühler schematisch dargestellt: Der Kollektor K umfasst mehrere in einer Längsrichtung parallel verlaufende Sammelrohre 21,..,24, die in einem in der Längsrichtung erstreckenden, gemeinsamen Rahmengestell 28 (siehe auch Fig. 4 und 6) untergebracht sind. Zu jedem Sekundärkreis gehört ein Paar von Sammelrohren 21, 22 bzw. 23, 24, die jeweils dem Vor- und Rücklauf im entsprechenden Sekundärkreis dienen. Im Beispiel der Fig. 2 ist das Sammelrohr 21 für den Vorlauf, das Sammelrohr 22 für den Rücklauf im Kondensatorkreis zuständig. Entsprechend ist das Sammelrohr 23 für den Vorlauf, das Sammelrohr 24 für den Rücklauf im Verdampferkreis zuständig. Die Sammelrohre 21,..,24 führen zu in den Figuren nicht dargestellten Anlageteilen, welche die Sekundärkreise jeweils vervollständigen. Sind zusätzlich Enthitzer 16 und Unterkühler 18 vorgesehen, gibt es im Kollektor K Sammelrohre für die zugehörigen Sekundärkreise (in Fig. 6 bezeichnet 41 die beiden Sammelrohre für den Rücklauf im Unterkühler- und Enthitzerkreis, 42 bezeichnet die entsprechenden Sammelrohre für den Vorlauf in beiden Sekundärkreisen).
Der Kollektor K erstreckt sich in Längsrichtung über mehrere Aufnahmeräume (AR, in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet), die in Längsrichtung hintereinander aufgereiht sind und jeweils für die Aufnahme eines der standardisierten Module M ausgelegt sind. In jeden der Aufnahmeräume AR kann bei Bedarf ein Modul M eingeschoben und an die Sammelrohre 21,..,24 angeschlossen werden, um die Kälteleistung des Gesamtsystems zu erhöhen oder (z.B. in Form einer Wärmepumpe) andere thermische oder klimatechnische Funktionen bereitzustellen. Ebenso kann ein in einem Aufnahmeraum stehendes Modul M bei Funktionsausfall oder mangelndem Bedarf von den Sammelrohren 21,..,24 abgehängt und ausgetauscht oder ersatzlos ausgebaut werden. Alle diese Veränderungen im System können vorgenommen werden, ohne dass der Betrieb der mehrere Module M umfassenden Gesamtanlage unterbrochen werden muss. Es ändert sich lediglich der Massenstrom in den Sammelrohren gemäss dem Anteil des betreffenden Moduls am Gesamtsystem.
In Fig. 3 ist im vereinfachten Blockschaltbild eine modulare klimatechnische Anlage 10 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Modularität im Systembau basiert im Wesentlichen auf folgenden Modulkomponenten, welche individuell einzeln oder mehrfach an Anwender- oder Prozessbedürfnisse angepasst werden können:

Rahmengestell (34 in Fig. 4)
Verdichter 12
Wärmetauscher 14,..,18 (Wärmetauscherblock)
Einspritzventil 13
Kältemittel
Schaltschrank SS1,..,SSn

Das Konzept, die Verrohrungen, die Isolation, die Sicherheitseinrichtungen, etc, des Moduls M bleiben dabei immer (soweit möglich) gleich.
Die einzelnen Module M1,..,Mn werden zu Systemen (Anlage 10) zusammengebaut (kollektiert), wobei im Weiteren einzelne zusammengebaute Systeme wiederum zu Grosssystemen miteinander verbunden werden können. Je nach Prozessanforderung genügt ein oder mehrere Module, welche zu einem System kollektiert werden. Die einzelnen Module können (müssen aber nicht) in Leistung oder Bauweise identisch sein. Die Systemgrösse ist abhängig vom Sekundärmedium (Wasser, Propylen, Ethylen, etc.), der maximalen Kälte- resp. Wärmeleistung (Kondensationsleistung), der gewünschten oder geforderten Temperaturdifferenz des Sekundärmediums resp. dem geförderten Massenstrom und der damit verbundenen Strömungsgeschwindigkeit. Als Standard für die Sammelrohre 21,..,24 wird dabei vorzugsweise ein Leitungsquerschnitt mit einem Durchmesser von DN 150mm verwendet. Es kann dann eine entsprechende Anzahl Module M mit kleiner Leistung oder eine kleinere Anzahl Module M mit grosser Leistung an einen Kollektor K angebunden werden.
Die einzelnen Module M sind von den äusseren Abmessungen her so ausgelegt, dass sie durch jede Türe mit einem freien Durchgang von 80 cm passen. Damit ist gewährleistet, dass eine Anlage 10 der beschriebenen Art ohne spezielle bauliche Veränderungen in einem "normalen" Raum zusammengebaut werden kann. Entsprechend soll auch der Kollektor in jedem "normalen" Raum aufgebaut werden können. Es wird deshalb eine Bodenabstützung des Kollektors K verwendet (siehe Fig. 4 und 6), welche zusätzlich den Vorteil hat, dass keine Deckeninstallationen notwendig sind und Konflikte mit anderen an der Decke montierten klimatechnischen oder elektrische Einrichtungen vermieden werden. Die maximale Höhe des Kollektors K ist vorzugsweise so begrenzt, dass eine Aufstellung in einem Raum mit einer Raumhöhe von 2,50 Meter möglich ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind mehrere in entsprechenden Aufnahmeräumen AR des Kollektors K untergebrachte Module M1,..,Mn über zugehörige Regelkreise RK an den Kollektor K mit seinen Sammelrohren 21,..,24 angeschlossen. Weitere Sammelrohre im Kollektor K für allfällige Enthitzer- oder Unterkühlerkreise sind hier der Einfachheit halber nicht gezeigt, werden aber in Fig. 6 dargestellt (Sammelrohre 41, 42). In den Regelkreisen RK sind Ventile angedeutet, die Absperr- und/oder Regelfunktionen übernehmen. Der tatsächliche innere Aufbau von solchen Regelkreisen RK ist in Fig. 5 in vier verschiedenen Varianten beispielhaft gezeigt.
Die elektrische Versorgung und Steuerung der einzelnen Module M1,..,Mn erfolgt über zugeordnete Schaltschränke SS1,..,SSn, die über separate Zuleitungen 25 an eine (nicht dargestellte) Hauptverteilung angeschlossen sind und über (vorzugsweise steckbare) Steuerkabel 26 und (vorzugsweise fest verdrahtete) Anschlusskabel 27 (für die Stromversorgung des Verdichters 12) mit dem jeweiligen Modul verbunden sind. Elektroanschlüsse 26a für allfällige Pumpen, Ventile etc. verbinden die jeweiligen Regelkreise RK mit dem jeweiligen Modul-Schaltschrank. Die einzelnen Module M1,..,Mn können mit ihren Schaltschränken SS1,..,SSn über einen gemeinsamen Datenbus 39 verbunden sein. Die Schaltbefehle EIN und AUS, der Sammelalarm etc. können so auf einen so genannten "Master" übertragen werden bzw. kommen von dort.
Der bevorzugte Aufbau des Kollektors K ist in den Fig. 4 bis 6 für die klimatechnische Anlage 30 dargestellt. Der Kollektor K mit seinem Rahmengestell 28 wird vom Boden her auf Konsolen abgestützt. Er weist (wie die Module M auch) Füsse 33 zum Nivellieren bei Bodenunebenheiten auf. Die Sammelrohre 21,..,24 (bzw. 41, 42 in Fig. 6), die am Rahmengestell (28) befestigt sind, sind über mehrere Aufnahmeräume AR durchgehend ausgebildet. Zum Anschluss der Module M, M1, M2 an die Sammelrohre 21,..,24; 41, 42 sind im Bereich eines Aufnahmeraumes AR jeweils entsprechende Abgänge 32 an den Sammelrohren 21,..,24; 41, 42 vorgesehen. Die Sammelrohre 21,..,24; 41, 42 sind im Rahmengestell 28 oberhalb der Aufnahmeräume AR zur Aufnahme der Module M, M1, M2 in mehreren übereinander liegenden Ebenen gelagert. Der Kollektor K weist pro Sekundärkreis jeweils zwei Sammelrohre 21, 22 bzw. 23, 24 bzw. 41 bzw. 42 für den Vorlauf bzw. Rücklauf des zugehörigen Sekundärmediums auf. Die Sammelrohre 21, 23, 42 für den Vorlauf und die Sammelrohre 22, 24, 41 für den Rücklauf sind dabei auf unterschiedlichen Ebenen mit entsprechenden 31 bzw. 29 gelagert. Die Sammelrohre 21,..,24 des Kollektors K sind so dimensioniert (DN 150mm), dass der Gesamtquerschnitt der abgehenden Rohre (Abgänge 32) auf die Module M, M1, M2 kleiner ist als der Gesamtquerschnitt des Kollektors K (gleichmässige Verteilung auf alle abgehenden Rohre).
Der Kollektor K kann mittels entsprechender Flansche, Straub-Kupplungen etc. an beiden Enden angeschlossen werden. Hierdurch ist auch eine Aneinanderreihung mehrere Kollektoren K möglich. Das Material des Kollektors K (der Sammelrohre) kann je nach Einsatzbedingungen unterschiedlich sein, wie z.B.:

Edelstahl
Kunststoff
Kupfer
Stahl schwarz
Stahl verzinkt

Die Module M, M1, M2 weisen im Beispiel der Fig. 4 bis 6 jeweils vier Sekundärkreise auf, wobei die ersten beiden in jedem Fall, die letzten beiden aber je nach Systemanforderungen unter Umständen nicht angeschlossen werden müssen:

Verdampferkreis (Kühlen) muss angeschlossen werden
Kondensatorkreis (Wärme) muss angeschlossen werden
Unterkühlerkreis (optional, freibleibend)
Enthitzerkreis (optional, freibleibend)

Je nach Temperaturbereich und verwendeten Prozessen werden keine, einzelne oder alle Leitungen entsprechend den jeweiligen Anforderungen isoliert. Der Kollektor K kann auf "heutige Bedürfnisse" gebaut und später, wenn erweitert werden soll, entsprechend erweitert werden (Anfügen eines weiteren Kollektors am bestehenden Kollektorende).
Die Steuerung und Regelung der einzelnen Sekundärkreise ist modular mit einzelnen Regelkreisen RK1 (RK in Fig. 5) aufgebaut und kann schnittstellengerecht vorgefertigt werden. Es kann dabei unterschieden werden, ob pro Modul und Sekundärkreis je eine Pumpe 37, 38 oder jeweils eine zentrale Pumpe und/oder je nach Prozess zum Beispiel der Unterkühlerkreis mit einer Zentralpumpe für alle Module und die anderen Sekundärkreise mit jeweils einer eigenen Pumpe pro Modul ausgestattet werden sollen. Entsprechend (je nach Prozess) werden Zwei-, Drei-, Absperr- und/oder Strangregulierventile eingebaut (Fig. 5). Enthitzer- und Unterkühlerkreise, die in den Modulen M, M1, M2 vorbereitet sind, können auch zu einem späteren Zeitpunkt angeschlossen werden.
Der Kollektor K hat immer definierte Schnittstellen, und setzt sich je nach Anforderung aus unterschiedlichen Modulen zusammen:

Er ist für zwei oder mehr (bis zur maximal möglichen Zahl) Module M ausgelegt. Die Schnittstelle ist definiert über ein Handventil (Kugelventil, etc.) und eine anschliessende lösbare Verbindung (Flansch, etc.).
Das Minimum der kollektierten Sekundärkreise sind zwei Kreise (Verdampfer- und Kondensatorkreise), 4 Sammelrohre DN 150mm.
Je nach Prozess werden unterschiedliche Regelkreise RK, passend auf die jeweiligen Schnittstellen, eingesetzt.
Gemäss Fig. 6 sind Schlauchverbindungen 36 zu den Modulen M vorgesehen, welche Masstoleranzen zwischen Modul M und Kollektor K ausgleichen, unterschiedliche Metalle galvanisch voneinander Trennen (elektrische Trennung, Potentialausgleich) und Vibrations- und Pulsationsübertragung zwischen den Modulen M und dem Kollektor K verhindern.

Die Schaltschränke (SS in Fig. 6) sind ebenfalls modular aufgebaut. Die Steuerkabel (26 in Fig. 3) zwischen Modul M und Schaltschrank SS werden über Stecker geführt, das Verdichteranschlusskabel 27 ist fest verdrahtet. Die einzelnen Schaltschränke SS weisen identische Steuer- und Regelkomponenten auf (je nach Prozessanforderung). Ein Master gibt über den Datenbus 39 die jeweiligen (EIN/AUS)-Befehle im Automatikbetrieb. Ein, zwei oder alle Module M können mit einem Frequenzumformer ausgerüstet werden (auch nachträglich), wie er in Fig. 4 der WO-A1-2004/020918 gezeigt ist. Beim Wechseln eines Moduls M verbleibt der (zunächst am Modul befestigte) Schaltschrank SS vor Ort und nur die Module werden gewechselt (Steuerteil steckbar, Kraftteil auf Klemmen geführt). Die Absicherung der Module M ist "bauseits" vom Unterverteiler her realisiert.
Insgesamt sind die Hauptkomponenten der vorgeschlagenen Kollektierung:

klimatechnisches Modul (Kältemodule, Wärmepumpenmodule etc.)
Schaltschrank (pro Modul)
Traggestell (Rahmengestell) Kollektor
Sammelrohre mit definierten Schnittstellen
Regel- und Steuerungskomponenten (Ventile, Pumpen, etc.)
Schlauchverbindungen

Sollen die Module im Laufe ihrer Lebensdauer anders eingesetzt werden (Prozessänderungen, Standortwechsel, Erweiterungen, etc.) können die Module und die Kollektierung einfach angepasst und weiter verwendet werden, wobei ein Raum mit Standartmassen als Aufstellungsort für die Anlage 10 bzw. 30 genügt. Kleinere Module (leistungsmässig) können später problemlos gegen Module mit grösserer Leistung ausgetauscht werden.

Bezugszeichenliste

10,30: klimatechnische Anlage (modular)
11: Kreislauf
12: Verdichter
13: Einspritzventil
14: interner Wärmetauscher (IWT)
15: Verdampfer
15': Stabilisator
16: Enthitzer
17: Kondensator
18: Unterkühler
19,20: Verbindungsleitung
21,22: Sammelrohr (Kondensatorkreis)
23,24: Sammelrohr (Verdampferkreis)
25: Zuleitung
26: Steuerkabel (steckbar)
26a: Elektroanschluss
27: Anschlusskabel (zum Verdichter, fest verdrahtet)
28: Rahmengestell (Kollektor)
29,31: Tragschiene
32: Abgang
33: Fuss (Rahmengestell)
34: Rahmengestell (Modul)
35: Fuss (Modul)
36: Schlauchverbindung
37,38: Pumpe (Modul)
39: Datenbus
40: Anschlussleitung (fest verdrahtet)
41: Sammelrohr (Rücklauf)
42: Sammelrohr (Vorlauf)
AR: Aufnahmeraum
K: Kollektor
M,M',M1,M2,Mn: Modul
RK,RK1,RK2: Regelkreis
SS,SS1,SS2,SSn: Schaltschrank
V1,..,V8: Ventil

Claims

Modulare klimatechnische Anlage (10, 30), insbesondere zur Kälte- und/oder Wärmeerzeugung, umfassend ein oder mehrere Module (M, M', M1, M2,.., Mn), in welchen Modulen (M, M', M1, M2,.., Mn) jeweils ein Arbeitsmedium bzw. Kältemittel in einem Kreislauf (11) verdichtet, verflüssigt, entspannt und wieder verdampft wird, und die dabei erzeugte Wärme bzw. Kälte über Wärmetauscher (15,..,18) an entsprechende Sekundärkreise abgegeben wird, wobei für mehrere Module (M, M', M1, M2,.., Mn) ein aus Sammelrohren (21,..,24; 41, 42) aufgebauter, gemeinsamer Kollektor (K) vorgesehen ist, an welchen die Module (M, M', M1, M2,.., Mn) lösbar angeschlossen sind, und der die Module (M, M', M1, M2,.., Mn) mit dem jeweiligen gemeinsamen Sekundärkreis verbindet, und wobei sich der Kollektor (K) mit seinen Sammelrohren (21,..,24; 41, 42) horizontal in einer Längsrichtung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass am Kollektor (K) in der Längsrichtung eine Reihe von Aufnahmeräumen (AR) zur Aufnahme von Modulen (M, M', M1, M2,.., Mn) vorgesehen sind, dass die Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) oberhalb der Aufnahmeräume (AR) über mehrere Aufnahmeräume (AR) durchgehend ausgebildet sind, und dass zum Anschluss der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) an die Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) im Bereich eines Aufnahmeraumes (AR) jeweils entsprechende Abgänge (32) an den Sammelrohren (21,..,24; 41, 42) vorgesehen sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (K) ein sich in der Längsrichtung erstreckendes, auf dem Boden stehendes Rahmengestell (28) umfasst, in welchem die Aufnahmeräume (AR) zur Aufnahme der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) frei gelassen sind, und dass die Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) am Rahmengestell (28) befestigt sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) im Rahmengestell (28) oberhalb der Aufnahmeräume (AR) zur Aufnahme der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) gelagert sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) im Rahmengestell (28) in mehreren übereinander liegenden Ebenen (29, 31) gelagert sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (K) pro Sekundärkreis jeweils zwei Sammelrohre (21, 22 bzw. 23, 24 bzw. 41 bzw. 42) für den Vorlauf bzw. Rücklauf des zugehörigen Sekundärmediums aufweist, und dass die Sammelrohre (21, 23, 42) für den Vorlauf und die Sammelrohre (22, 24, 41) für den Rücklauf auf unterschiedlichen Ebenen gelagert sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) wenigstens ein, Regelmittel, insbesondere Regelventile, enthaltender Regelkreis (RK, RK1, RK2) zugeordnet ist, dass der Regelkreis (RK, RK1, RK2) hydraulisch zwischen dem zugehörigen Modul und den Sammelrohren (21,..,24; 41, 42) angeordnet ist, und dass der Regelkreis (RK, RK1, RK2) am Rahmengestell (28) befestigt ist.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (M, M', M1, M2,.., Mn) in seinem Aufnahmeraum (AR) eigenständig auf dem Boden steht, und dass die zugehörigen Regelkreise (RK, RK1, RK2) auf der einen Seite direkt an die Abgänge (32) der Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) und auf der anderen Seite über Schlauchverbindungen (36) an das Modul angeschlossen sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Regelkreise (RK, RK1, RK2) eine Pumpe (37, 38) umfasst, die in einem der Sekundärkreise des zugehörigen Moduls angeordnet ist.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (M, M', M1, M2,.., Mn) in einem eigenen Rahmengestell (34) untergebracht ist und mit am Rahmengestell (34) angeordneten, justierbaren Füssen (35) auf dem Boden steht.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Sammelrohre (21,..,24; 41, 42) des Kollektors (K) so dimensioniert ist, dass der Gesamtquerschnitt der zu den Modulen (M, M', M1, M2,.., Mn) führenden Abgänge (32) des Sammelrohres kleiner ist als der Querschnitt des Sammelrohres selbst.
Modulare klimatechnische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) bzw. der zugehörigen Regelkreise (RK, RK1, RK2) mit elektrischer Energie und Steuersignalen jeweils ein Schaltschrank (SS, SS1, SS2,.., SSn) vorgesehen ist.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschränke (SS, SS1, SS2,.., SSn) jeweils am zugehörigen Modul (M, M', M1, M2,.., Mn) befestigt sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Verbindung zwischen den Modulen (M, M', M1, M2,.., Mn) und den zugehörigen Schaltschränken (SS, SS1, SS2,.., SSn) jeweils wenigstens ein Steuerkabel (26) und ein Anschlusskabel (27) vorgesehen ist, und dass zumindest die Verbindung mit dem Steuerkabel (26) steckbar ausgebildet ist.
Modulare klimatechnische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) in seinem Kreislauf (11) wenigstens einen Verdichter (12), ein, insbesondere steuerbares, Einspritzventil (13), einen Verdampfer (15) und einen Kondensator (17) umfasst, und dass die Aussenabmessungen der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) so gewählt sind, dass sie durch jede Tür mit einem freien Durchgang von 80 cm transportierbar sind.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere Module zusätzlich einen interne Wärmetauscher IWT (14) und einen Stabilisator (15') aufweisen.
Modulare klimatechnische Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere Module zusätzlich einen Enthitzer (16) und/oder einen Unterkühler (18) aufweisen.
Modulare klimatechnische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren (K) aneinanderreihbar ausgebildet sind.
Verfahren zum Betrieb einer modularen klimatechnischen Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausfall eines der Module (M, M', M1, M2,.., Mn) bei laufendem Betrieb die hydraulischen Verbindungen des ausgefallenen Moduls zum Kollektor (K) unterbrochen, das Modul vom Kollektor (K) abgehängt und durch ein neues Modul gleicher Art ersetzt, das neue Modul an den Kollektor (K) angeschlossen und die hydraulischen Verbindungen zum Kollektor (K) wiederhergestellt werden.
Verfahren zum Betrieb einer modularen klimatechnischen Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Charakteristik oder Leistung der Anlage bei laufendem Betrieb die hydraulischen Verbindungen eines ausgewählten Moduls zum Kollektor (K) unterbrochen, das Modul vom Kollektor (K) abgehängt und durch ein neues Modul anderer Art oder Leistung ersetzt, das neue Modul an den Kollektor (K) angeschlossen und die hydraulischen Verbindungen zum Kollektor (K) wiederhergestellt werden, oder ein zusätzliches Modul an den Kollektor (K) angeschlossen wird.