WO2018046130A1

WO2018046130A1 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: WO2018046130A1
Application number: PCT/EP2017/001073
Authority: WO
Inventors: Benjamin THEOBALD; Manfred Dehnen
Original assignee: Hydac Cooling Gmbh; Andreas Hofer Hochdrucktechnik Gmbh
Priority date: 2016-09-10
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-03-15
Also published as: DE102016010996A1

Abstract

Kühlvorrichtung, bestehend zumindest aus einer Flüssigkeits-Kühleinrichtung (34), einer Hochdruck-Gaskühleinrichtung (37) und einer Gebläseeinrichtung (25) zur Erzeugung eines Kühlluftstroms, die in einer Baueinheit (1) zusammengefasst sind.

Description

Kühlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, bestehend zumindest aus einer Flüssigkeits-Kühleinrichtung und einer Hochdruck-Gaskühleinrichtung.

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Kühlvorrichtungen, die bei Ein- richtungen zum Einsatz kommen, die für Verbraucher oder Anwender unter hohem Druck stehende Gase zur Verfügung stellen, beispielsweise Wasserstoff-Tankstellen für eine Hochdruckbetankung bei Drücken von 200 bis 6.000 bar. Der Prozess der Verdichtung auf dieses Druckniveau erhöht die Gastemperatur auf Werte zwischen 150°C bis 320°C, so dass eine effizien- te Hochdruck-Gaskühlung für eine Rückkühlung auf eine Abgabetemperatur durchzuführen ist, die geringfügig über, insbesondere nicht mehr als 5° bis 10°K über Umgebungstemperatur liegt. Für die Rückkühlung von Wasserstoff kommen im Stand der Technik Wärmetauscher zum Einsatz, die für einen zwischen Gas und Flüssigkeit erfolgenden Wärmeaustausch mit Was- serglykol als Kühlmedium arbeiten. Bei den zur Verdichtung des Wasserstoffs auf das erforderliche hohe Druckniveau eingesetzten Verdichtern sind die Zylindermäntel mit Öl gekühlt. Die Rückkühlung des erhitzten Kühlöls erfolgt in separatem Ölkühler, ebenfalls mit Wasserglykol als Kühlmedium. Die bekannten, zur Rückkühlung hochverdichteter Gase, wie Wasserstoff, benutzten Kühlvorrichtungen sind baulich aufwendig und beanspruchen einen verhältnismäßig großen Bauraum, so dass die Implementierung in Abgabeein richtungen, wie für Wasserstoff-Hochdruckbetankung, schwierig ist.

Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine einfach aufgebaute und kompakte Kühlvorrichtung für die Rückküh- lung hochverdichteter Gase, wie Wasserstoff (H2) und eine Flüssigkeit, zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Demgemäß zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Hochdruck- Gaskühleinrichtung für die Rückkühlung des hochverdichteten Gases, wie H2, auf die Abgabetemperatur und die Flüssigkeits-Kühleinrichtung für das erhitzte Kühlöl des Gasverdichters zu einer Baueinheit zusammen mit einer Gebläseeinrichtung zusammengefasst sind, die einen Kühlluftstrom erzeugt. Dergestalt sieht die Erfindung einen Hochdruck-Kombi-Kühler vor, der den von der Gebläseeinrichtung erzeugten Kühlluftstrom als Kühlmedium für die Gasrückkühlung sowie die Rückkühlung des Kühlöls als Kühlmedium ausnutzt. Die Einsparung des Wasserkreises verringert den apparativen Aufwand und führt zu erheblicher Kostenreduktion. Die Vermeidung des Wasserkreises steht auch im Einklang mit den entsprechenden Umweltan- forderungen. Durch die erreichte Systemvereinfachung und die dadurch ermöglichte kompakte Bauweise der Baueinheit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonderem Maße für den Einsatz bei Abgabeeinrichtungen für Hochdruckgase, wie Einrichtungen zur Hochdruck-Wasser- stoffbetankung von Fahrzeugen. Die Flüssigkeits-Kühleinrichtung für die Rückkühlung des beim Verdichterbetrieb anfallenden Kühlöls, ist aus einem Wärmetauscher, vorzugsweise einem Lamellen- Wärmetauscher, gebildet, der einen besonders effizienten Wärmeaustausch Flüssigkeit/Luft bei mittels der Gebläseeinrichtung erzeug- tem Luftstrom ermöglicht.

Mit Vorteil ist die Hochdruck-Gaskühleinrichtung aus einem weiteren Wärmetauscher, vorzugsweise einem Rohr-Wärmetauscher, gebildet. Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Gebläseeinrichtung mindestens einen, vorzugsweise zwei Lüfter mit Lüfterschaufeln auf, die von einem Antrieb, vorzugsweise einem Elektromotor, antreibbar sind. Bei kompakter Bauweise lassen sich durch elektromotorisch angetriebene Axialgebläse hohe Luftdurchsätze erreichen. Bei Einsatz von mehr als einem Lüfter lässt sich auf einfache Weise durch Zu- oder Abschalten eines Lüfters eine an den jeweiligen Bedarf angepasste Regelung der Kühlleistung realisieren.

Mit Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Rohr- Wärmetauscher aus mindestens einer, vorzugsweise nur einer, Rohrleitung gebi ldet ist, die mehrere Windungen aufweist, die einen Aufnahmeraum für die Aufnahme des Lamellen-Wärmetauschers umfassen. Bei dieser Anordnung lässt sich bei geringem Bedarf an Bauraum der Kühlluftstrom optimal für den Wärmeaustausch an beiden Kühleinrichtungen ausnutzen.

Mit besonderem Vortei l kann die Rohrleitung über mindestens ein Festlegelager und mehrere Loslager in einem zugehörigen Gehäuse der Baueinheit aufgenommen sein. Ein dergestalt frei arbeitendes Rohrsystem vermeidet den Aufbau thermisch bedingter Spannungen in den Rohrleitungen. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Rohrleitung zumindest über einen Teil ihrer Länge mit einer Rippenstruktur versehen, die vorzugsweise auf die Rohrleitung aufgewalzt ist. Die so durch Kühlrippen vergrößerte Anströmfläche der Rohrleitungen verbessert dementsprechend den Wärmeübergang zum Kühl luftstrom.

Das Gehäuse der Baueinheit bildet bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen eine Art Quader aus und ist zumindest tei lweise aus Metallblechen zusammengesetzt, wobei zwei Lüfter im stirnseitigen Endbereich des Quaders und in Schrägstellung in der Baueinheit aufgenommen sind und jedem Lüfter an der betreffenden Stirnseite des Gehäuses ein Luftaustritt zugeordnet ist. Bei Vorhandensein mehr als eines Lüfters ist die erforderliche Kühl leistung bei verhältnismäßig niedriger Lüfterdrehzahl erreichbar. In Zusammenwirkung mit je einem eigenen Luftaustritt jedes Lüfters führt dies zu einer geringen Schal lemission.

Insbesondere lassen sich geringe Schalldrücke von weniger als 70 dB (A), gemessen in 1 m Abstand, erreichen, wenn die quaderförmige Baueinheit mit ihrem freien Luftströmungsbereich in zwei Untereinheiten separiert ist, so dass für jeden Lüfter eine Art Kammerung gebi ldet ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schrägansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung; Fig. 2 das Ausführungsbeispiel in auseinandergezogener perspektivischer Explosionsdarstellung; Fig. 3 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels mit abgenommener oberer Gehäusedeckwand; Fig. 4 einen Vertikalschnitt entlang einer Schnittebene, deren Lage in Fig. 3 mit IV - IV angegeben ist;

Fig. 5 und 6 in unterschiedlicher Blickrichtung gesehene perspektivische

Schrägansichten des gesondert dargestellten Rohr- Wärmetauschers des Ausführungsbeispiels; eine Stirnansicht des gesondert dargestellten Roh Wärmetauschers; Fig. 8 eine skizzenhafte Darstellung zur Verdeutlichung des spiralförmigen Windungsveriaufs der Rohrieitungen des Rohr- Wärmetauschers; und in vergrößerter Darstellung einen abgebrochen und teilweise aufgeschnitten gezeichneten Teil-Längenabschnitt einer mit einer äußeren Rippenstruktur versehenen Rohrleitung des Rohr-Wärmetauschers.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist die Erfindung am Beispiel einer Kühlvorrichtung für den Einsatz bei einer Abgabeeinrichtung für H2 beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen zur Kühlung anderer Gase und bei deren Verdichtung anfallenden erhitzten Kühlfluids einsetzbar ist. Die Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel mit geschlossenem Gehäuse 1 , das die Form eines gestreckten Quaders mit rechteckförmigem Grundriss besitzt, dessen Wände aus Stahlblech gebildet sind. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, weist die ebenflächige obere Gehäuseabdeckung, an die stirnseitigen Schmalseiten 3 und 5 anschließend, je ein Deckblech 7 und 9 auf. Die gleich geformten Deckbleche 7 und 9 erstrecken sich, von den Schmalseiten 3 und 5 ausgehend, mit einem langgestreckten, rechteckför- migen Wandteil 8 bis zur Gehäusemitte 10, lassen jedoch neben dem Wandteil 8 je eine im Wesentlichen dreieckförmige Öffnung 1 1 frei, s. Fig. 2. Im geschlossenen Zustand der Gehäuseabdeckung sind diese Öffnungen 1 1 durch entsprechend geformte Deckbleche 1 3 abgedeckt. Während das Gehäuse 1 an der in Fig. 1 hinten liegenden Langseite geschlossen ist, ist die sichtbare vordere Langseite im gesamten Wandbereich zwischen zwei gleich geformten Seitenblechen 14, die sich an die stirnseitigen Schmalseiten 3 bzw. 5 anschl ießen, offen und von der Umgebungsluft durchströmbar. Die beiden Schmalseiten 3 und 5 sind, bis auf einen Bereich, der durch ein Stirnblech 1 5 abgedeckt ist, das sich im Eckbereich an die Seitenbleche 14 anschließt, ebenfal ls zur Umgebungsluft offen, wobei sich an dieser Öffnung jewei ls ein Lüftungsgitter 1 7 befindet. An dem zur Umgebungsfuft offenen Bereich der betreffenden Langseite befindet sich ein entlang der Gehäuseabdeckung verlaufender oberer Wetterschutz 1 9 sowie ein entlang des bodenseitigen Randes verlaufender unterer Wetterschutz 20, die in der üblichen Weise zwischen geneigten Lamellen verlaufende Lüftungsschl itze aufweisen.

Wie die Fig. 2 und 4 zeigen, ist das Gehäuse 1 in der Mitte 10 durch eine ebene Trennwand 21 (Fig. 2), die sich zu den Gehäuseseiten senkrecht in Vertikalrichtung durchgehend von der Gehäuseabdeckung bis zum Boden erstreckt, in zwei Gehäusekammern 22 und 23 getrennt. In jeder Kammer 22, 23 ist eine Gebläseeinrichtung 25 (Fig. 3) angeordnet, die in einem Lüftergehäuse 26 von einem Elektromotor 27 angetriebene Lüfterschaufeln 28 aufweist. Die Gebläseeinrichtungen 25 sind, wie Fig. 2 und 3 zeigen, in ihrer jeweiligen Kammer 22, 23 in solcher Schrägstellung angeordnet, dass die Ausblasseite 29 der Lüftergehäuse 26 dem an die jeweilige Schmalseite 3 bzw. 5 angrenzenden Luft-Ausströmraum 30 bzw. 31 zugewandt ist, aus dem der Luftstrom über das Lüftungsgitter 1 7 austritt. Die Einströmseite der Lüftergehäuse 26 ist bei dieser Schrägstellung dem zur Umgebungsluft offenen Wandbereich der jeweils zugeordneten Kammer 22, 23 zugewandt. Bei dieser Anordnung sind bei Betrieb der Gebläseeinrichtungen 25 die Kammern 22, 23 und damit die offene Langseite, wie mit Strömungspfei len 32 in Fig. 3 angedeutet, vom Kühlluftstrom durchströmt, der über das zugeordnete Lüftungsgitter 1 7 austritt.

An der offenen Langseite befindet sich am Wandbereich zwischen oberem und unterem Wetterschutz 1 9, 20 die Flüssigkeits-Kühleinrichtung in Form eines Lamellenkühlers 34 mit horizontal verlaufenden Ölleitungen 35 zwischen den Luftdurchtritte bildenden Lamellen und mit zugehöriger Eingangsleitung 38 und Ausgangsleitung 40. Im Wandbereich hinter oberem und unterem Wetterschutz 1 9, 20 befinden sich, horizontal und parallel zueinander verlaufend, jewei ls sechs Leitungsabschnitte 36 der in Fig. 5 bis 7 gesondert dargestellten Hochdruck-Gaskühfeinrichtung 37. Wie die Fig. 2, 5 und 6 zeigen, spannen die Leitungsabschnitte 36 zusammen mit sie verbindenden, im Wesentlichen vertikal verlaufenden Verbindungsleitungen 39 einen rechteckförmigen Leitungsrahmen auf, der den innerhalb der Rahmenstruktur liegenden Lamellenkühler 34 umfasst.

Wie den Fig. 5 bis 7 und am deutlichsten der Fig. 7 entnehmbar ist, sind die horizontal verlaufenden Leitungsabschnitte 36 in drei in Strömungsrichtung (s. Pfeil 41 in Fig. 7) aufeinanderfolgenden drei Reihen angeordnet, die mit I, II und III bezeichnet sind, wobei jede Reihe I, II, III zwei in einer Vertikalebene parallel zueinander verlaufende Leitungsabschnitte aufweist, die bei den beiden Reihen I jeweils mit 43 bezeichnet sind. Die zwischen diesen befindlichen Leitungsabschnitte der zweiten Reihe, die in den Fig. 5 und 6 nur teilweise sichtbar sind, sind mit 45 bezeichnet, während die Leitungs- abschnitte der dritten Reihe (ebenfalls nur teilweise sichtbar) mit 47 bezeichnet sind. Mit den diese Leitungsabschnitte 43, 45 und 47 verbinden- den Verbindungsleitungen 39 ist, wie der schematischen Skizze der Fig. 8 entnehmbar ist, ein spiralartiger Windungsverlauf der Rohrleitung der Gas- kühleinrichtung 37 ausgebildet, mit einer Eingangsleitung 49, die zum unteren Leitungsabschnitt 47 der oberen Reihe III führt, und einer Ausgangslei- tung 50, die mit dem unteren Leitungsabschnitt 43 der unteren Reihe I in Verbindung ist.

Der von der Rohrleitung der Gaskühleinrichtung 37 gebildete Rahmen ist am Gehäuse 1 der Baueinheit mittels einer Fest-Loslagerkombination ange- ordnet, die in Fig. 5 und 6 mit 51 und mit 53 bezeichnet sind. Mit den durch rechteckförmige Platten gebildeten Loslagern sind thermische Längenänderungen der Leitungsabschnitte im Betrieb spannungsfrei möglich. Für die Verbindung der einzelnen Leitungsabschnitte sind Rohrverbinder 55 vorgesehenen, die nicht alle beziffert sind.

Wie Fig. 9 zeigt, befindet sich auf den Leitungsabschnitten 43, 45 und 47 eine aufgewalzte Verrippung 57, die eine entsprechende Vergrößerung der Anströmfläche und damit der Wärmeübertragungsfläche bildet, so dass in Zusammenwirkung mit der optimalen Anströmung der in Strömungsrich- tung hintereinander angeordneten mehreren Reihen der Leitungsabschnitte 43, 45 und 47 eine hocheffiziente Kühlung erreicht wird. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind in den Figuren die einzelnen Kühlrippen nicht dargestel lt, sondern die Verrippung 57 ist durch einen verdickten Rohrmantel zeichnerisch angedeutet. Es versteht sich, dass anstel le der Dreireihenan- Ordnung der Leitungsabschnitte 43, 45, 47 auch eine einreihige oder mehrreihige Anordnung der Leitungsabschnitte 43, 45, 47 möglich ist. Auch können zwei oder mehr voneinander räumlich separierte, spiralförmige Kühlschlangen in Paral lelanordnung hintereinander (nicht dargestel lt) vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, einzelne Kühlrohre in Parallelanord- nung vorzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Kühlvorrichtung, bestehend zumindest aus

einer Flüssigkeits-Kühleinrichtung (34),

einer Hochdruck-Gaskühleinrichtung (37) und

einer Gebläseeinrichtung (25) zur Erzeugung eines Kühlluftstroms, die in einer Baueinheit (1 ) zusammengefasst sind.

Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeits-Kühleinrichtung aus einem Wärmetauscher, vorzugsweise einem Lamellen- Wärmetauscher (34), gebildet ist.

Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gaskühleinrichtung aus einem weiteren Wärmetauscher, vorzugsweise einem Rohr-Wärmetauscher (37), gebildet ist.

Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseeinrichtung (25) mindestens einen, vorzugsweise zwei Lüfter (26) mit Lüfterschaufeln (28) aufweist, die von einem Antrieb, vorzugsweise einem Elektromotor (27), antreibbar sind.

Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohr-Wärmetauscher aus mindestens einer, vorzugsweise nur einer, Rohrleitung (27) gebi ldet ist, die mehrere Windungen (36, 39) aufweist, die vorzugsweise einen Aufnahmeraum für die Aufnahme des Lamellen-Wärmetauschers (34) bilden.

6. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (37) über mindestens ein Festle- gelager (51 , 53) und mehrere Loslager in einem zugehörigen Gehäuse (1 ) der Baueinheit aufgenommen ist.

Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (37) zumindest über einen Teil (43, 45, 47) ihrer Länge mit einer Rippenstruktur (57) versehen ist, die vorzugsweise auf die Rohrleitung (37) aufgewalzt ist.

Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) der Baueinheit eine Art Quader ausbildet und zumindest teilweise aus Metallblechen (7, 9, 1 3, 14, 15, 21 ) zusammengesetzt ist, dass zwei Lüfter (26) im stirnseitigen Endbereich des Quaders und in Schrägstellung in der Baueinheit (1 ) aufgenommen sind und dass jedem Lüfter (26) an der betreffenden Stirnseite (3, 5) des Gehäuses (1 ) ein Luftaustritt (1 7) zugeordnet ist.

9. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die quaderförmige Baueinheit (1 ) mit ihrem freien Luftströmungsbereich (30, 31 ) in zwei Untereinheiten (22, 23) separiert ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hochdruckgaskühleinrichtung ausgebildet aus einem Hochdruckrohr mit Berippung besteht.

1 1 . Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berippung durch Aufwalzen, Aufpressen, Aufextrudieren, Aufschrumpfen, Aufkleben, Kaltverschweißen auf das Hochdruckrohr realisiert ist.