AT10858U1 - Modulares wärmetauschersystem - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 10 858 U1 2009-11-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein modulares Wärmetauschersystem mit zumindest zwei Wärmetauschereinheiten, die jeweils eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweisen, die von einem Medium durchströmbar sind, sowie dessen Verwendung als Kühlsystem für die Errichtung einer Eisfläche.

[0002] Eisläufen ist eine beliebte Wintersportart, daher werden während der Kälteperiode zahlreiche Eislaufplätze errichtet. Die Kältesysteme für diese Eislaufplätze sind entweder in den Boden integriert oder werden auf einen Unterboden gelegt. So werden beispielsweise Aluminium- oder andere Metallrohre eingesetzt, die von einem Kälteträgermedium, wie z.B. Glykol-Wassergemisch, durchströmt werden, wobei zur Kälteverteilung das Kälteträgermedium an ein Kälteaggregat angeschlossen ist. Alternativ hierzu kann die Kälteverteilung auch im sogenannten Direktverdampfermodus erfolgen, wobei das Kältemittel direkt durch die Strömungskanäle fließt. Bei den üblichen Vorrichtungen werden diese Aluminium- oder andere Metallrohre über flexible Schlauchverbindungen miteinander verbunden oder bei permanent installierten Eislaufplatzfeldern, normalerweise als Eisenverrohrung miteinander verschweißt. Der Aufbau eines temporären Eislaufplatzes ist daher mit einem hohen Personal- und Zeitaufwand verbunden.

[0003] Die US 4,979,373 beschreibt eine Vorrichtung zur Errichtung und Erhaltung einer Eisoberfläche mit einer Vielzahl von flächigen Wärmetauschermodulen aus flexiblem Kunststoff, die über eine Vielzahl von Kanälen verfügen, durch die ein Kältemittel gepumpt wird. Die einzelnen Module sind jeweils über Sammelrohre miteinander verbunden. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass einerseits das Kunststoffmaterial anfällig gegen Beschädigungen beispielsweise bei der Verlegung ist, und zudem ungleichmäßige Strömungsverhältnisse durch die Verbindung benachbarter Wärmetauschermodule über ein Sammelrohr mit größerem Durchmesser gegeben sind. Daraus resultiert wiederum eine ungleichmäßige Eisfläche.

[0004] Die US 3,379,031 beschreibt einen modular aufgebauten Eislaufplatz, wobei plattenförmige Wärmetauscherelemente aus Verbundmaterial mit Strömungskanälen versehen sind, die miteinander in Verbindung stehen. Die Herstellung dieser Wärmetauscherelemente ist kostenintensiv, weil entweder die Bildung der Strömungskanäle innerhalb des Moduls durch Einlegen von Schläuchen oder Rohren erfolgt oder aber die Kanäle direkt in das Material eingefräst werden.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein modulares Wärmetauschersystem bereitzustellen, das auf einfache Art hergestellt, transportiert und vor Ort verlegt werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird durch ein modulares Wärmetauschersystem der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest zwei Wärmetauschereinheiten überwiegend aus Metall gefertigt sind und über zumindest ein Verbindungselement miteinander zumindest flüssigkeitsdicht und lösbar verbindbar sind, wobei die zumindest zwei Wärmetauschereinheiten entlang einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Da die Wärmetauschereinheiten zum überwiegenden Teil aus Metall, insbesondere aus Aluminium gefertigt sind, erfolgt hier ein wesentlich besserer Kälteübergang zwischen den Wärmetauschereinheiten und der Eisoberfläche als beim bekannten Stand der Technik aus Kunststoff. Die Verbindung von zumindest zwei Wärmetauschereinheiten über ein Verbindungselement, wobei die Verbindung nach dem Abtauen des Eises wieder gelöst werden kann, erlaubt einen einfachen und raschen Transport der Wärmetauschereinheiten an verschiedene Orte.

[0007] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist jede Wärmetauschereinheit eine Vielzahl von Strömungskanälen auf, die jeweils mit einem Strömungskanal einer benachbarten Wärmetauschereinheit über das zumindest eine Verbindungselement zumindest flüssigkeitsdicht verbindbar sind. Dadurch stehen die jeweiligen Strömungskanäle direkt miteinander in Verbindung, ohne dass es zu einer Querschnittsverengung oder Erweiterung kommt. Diese hat zur Folge, dass eine besonders gleichmäßige Eisfläche hergestellt werden kann. Dies stellt einen entscheidender Vorteil gegenüber anderen Aluminium- bzw. Metallrohrsystemen, die über 1/12 österreichisches Patentamt AT 10 858 U1 2009-11-15 flexible Schlauchverbindungen verbunden sind, dar, weil diese im Bereich der flexiblen Schlauchverbindung weit schlechtere Kälteübertragungsfähigkeiten aufweisen, und die Eisqualität folglich in diesem Bereich deutlich schlechter ist, bzw. ist der Aufwand an (elektrischer) Energie deutlich höher, um auch an dieser Schwachstelle zufriedenstellendes Eis zu erzielen.

[0008] Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des modularen Wärmetauschersystems ist gegeben, wenn innerhalb einer Wärmetauschereinheit die Strömungskanäle parallel zueinander angeordnet sind, wobei je Wärmetauschereinheit zwei Plattenelemente vorgesehen sind, die stirnseitig an den Öffnungen der Strömungskanäle angeordnet sind. Diese Plattenelemente dienen gleichzeitig der Fixierung der Strömungskanäle in ihrer Position zueinander, so dass ein starrer Aufbau erhalten wird und die einzelnen Wärmetauschereinheiten beispielsweise gestapelt transportiert werden können.

[0009] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die Verbindung zweier benachbarter Wärmetauschereinheiten über ihre Plattenelemente. Dabei ist beim Verbinden dieser Wärmetauschereinheiten jeweils ein Plattenelement einer ersten Wärmetauschereinheit an ein Plattenelement einer zweiten Wärmetauschereinheit angeordnet, so dass die jeweiligen Öffnungen der Strömungskanäle miteinander in strömungsdurchlässiger Verbindung stehen.

[0010] Um eine flüssigkeitsdichte Verbindung benachbarter Wärmetauschereinheiten zu gewährleisten, weist jeweils ein Plattenelement einer Wärmetauschereinheit Ausnehmungen zur Aufnahme von Dichtmitteln auf. So werden beispielsweise üblicherweise aus Silikon bestehende Dichtringe, sogenannte O-Ringe, in diese Ausnehmungen eingesetzt, und anschließend die Plattenelemente in der oben beschriebenen Art und Weise miteinander verbunden. Vorzugsweise umgeben hierbei die Dichtmittel jeweils eine Öffnung eines Strömungskanals. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass eine die Öffnungen der Strömungskanäle in ihrer Gesamtheit umlaufende Dichtung vorgesehen ist.

[0011] Zur flüssigkeitsdichten Verbindung zweier Plattenelemente miteinander können unterschiedliche Verbindungselemente eingesetzt werden. In einer ersten Ausführung ist das Verbindungselement als Schraubverbindung ausgebildet. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Verbindungselement als Keilverbindung ausgebildet ist.

[0012] Besonders bevorzugt ist ein Verbindungselement, das als starres oder aber federndes Klemmelement, insbesondere mit einem im Wesentlichem U-förmigen Querschnitt ausgebildet ist. Diese Ausführung des Verbindungselementes erlaubt eine besonders rasche Montage und Demontage des modularen Wärmetauschersystems. Das Klemmelement kann zusätzlich über eine Verschraubung stärker arretiert werden.

[0013] Um eine besonders einheitliche Eisfläche und damit gleichmäßige Eisdicke zu erzielen, ist bevorzugterweise das modulare Wärmetauschersystem flächenartig mit einer Sammelleitung als Zulauf und einer Sammelleitung als Rücklauf ausgebildet. Die Sammelleitungen stehen hierbei über eine Tichelmann-Verrohrung mit dem Kälteaggregat in Verbindung.

[0014] Das in den Wärmetauscheinheiten zirkulierende Medium ist bevorzugter Weise eine Kühlflüssigkeit, wobei sich hierbei ein Glykol-Wassergemisch als besonders geeignet erwiesen hat.

[0015] Alternativ hierzu ist das in den Wärmetauschereinheiten zirkulierende Medium eine Kühlflüssigkeit, die für eine Kühlung nach dem Direktverdampferprinzip geeignet ist.

[0016] Das erfindungsgemäße modulare Wärmetauschersystem ist besonders als Kühlsystem für die Errichtung einer Eisfläche, insbesondere eines Eislaufplatzes geeignet. Die einzelnen Wärmetauschereinheiten werden hierbei stapelweise an den Aufstellungsplatz transportiert und an Ort und Stelle aufgelegt, wobei die Verbindung der einzelnen Wärmetauschereinheiten miteinander auf rasche und einfache Weise erfolgt.

[0017] Im Folgenden wird anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen: [0018] Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines Ausschnittes einer erfindungsgemäßen Wärme- 2/12 österreichisches Patentamt AT 10 858 U1 2009-11-15 tauscheinheit, Fig. 2 eine zweite isometrische Ansicht der Wärmetauschereinheit aus Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht der Wärmetauschereinheit aus Fig. 1 von oben, Fig. 4A eine isometrische Ansicht zweier miteinander verbundener Wärmetauschereinheiten in einer Detailansicht, Fig. 4B zwei miteinander über ein Klemmelement verbundene Wärmetauschereinheiten, Fig. 5 eine Schnittansicht der miteinander verbundenen Wärmetauschereinheiten aus Fig. 4B, Fig. 6A eine Vorderansicht eines Plattenelementes, Fig. 6B eine weitere Ausführung eines Plattenelementes, Fig. 7A eine Schnittansicht eines als Schraubverbindung ausgebildeten Verbindungselementes, Fig. 7B eine als Keilverbindung ausgebildetes Verbindungselement, Fig. 7C eines als Klemmverbindung ausgebildetes Verbindungselement und die Fig. 8A bis 8D Varianten für die Einpassung der Strömungskanäle in die Plattenelemente mit unterschiedlichen Dichtungen.

[0019] Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, besteht die erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit 10 aus einer Vielzahl von Strömungskanälen 20, die aus Aluminium gefertigt sind und beispielsweise eine Länge von 5 m sowie einen Innendurchmesser von 17 mm und eine Wandstärke von 1 mm aufweisen. Die Strömungsrohre 20 sind hierbei parallel zueinander angeordnet, wobei ihre Position zueinander über ein an jeweils einem ihrer Enden angeordnetes Plattenelement 30, 31 fixiert ist. Die Plattenelemente 30, 31 sind hierbei an den jeweiligen Öffnungen 21 der Strömungskanäle 20 positioniert. Hierbei ist das eine Plattenelement 31 an seiner Stirnfläche plan ausgeführt, während die Stirnfläche des zweiten, an den der ersten Platte 31 gegenüberliegenden Öffnungen der Strömungskanäle 20 angeordnete Plattenelement 30 Ausfräsungen 32 aufweist, die jeweils um die Öffnung 21 eines Strömungskanals 20 angeordnet sind, wobei die Ausfräsungen 32 der Aufnahme eines Dichtmittels, insbesondere eines O-Ringes dienen. Wie auch in Fig. 3 gezeigt, ragen bei diesem Plattenelement 30 die Strömungskanäle 20 über die Stirnfläche des Plattenelementes 30 hervor. Dies erleichtert die Verbindung mit einem zweiten Wärmetauscherelement 10. Da das Wärmetauscherelement 10 für gewöhnlich über eine beträchtliche Länge, z.B. 5 m, verfügt, wird zur Stabilisierung der Strömungsrohre noch zusätzlich zumindest ein, bevorzugterweise zwei Stege 40 parallel zu den Plattenelementen 30, 31 angeordnet, wodurch das Wärmetauscherelement eine höhere Steifigkeit und damit leichtere Transportierbarkeit erhält.

[0020] In Fig. 4A bzw. 4B ist die Verbindung zweier Wärmetauscherelemente 10, 10' gezeigt, wobei jeweils ein Plattenelement 30 der einen Wärmetauschereinheit 10 stirnseitig an ein Plattenelement 31' eines zweiten Wärmetauschermoduls 10' angeordnet ist. Hierbei sind die jeweiligen Öffnungen 21 der Strömungskanäle 20, 20' entlang einer Achse A angeordnet, so dass der Strömungsquerschnitt auch im Verbindungsbereich der beiden Plattenelemente 30, 31' nicht verändert wird, und damit die Strömung eines in den Strömungskanälen 20, 20' befindlichen Kältemittels gleichmäßig und unverändert bleibt. Die Fixierung der beiden Plattenelemente 30,31' erfolgt in der Fig. 4A über ein Verbindungselement 50, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist und über eine Schraube 51 die beiden Plattenelemente 30, 31' miteinander verschraubt und verpresst. Bei der in der Fig. 4B dargestellten Ausführung ist das Verbindungselement 50 eine elastische Metallklammer mit im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei die Fixierung der Plattenelemente 31,31' aufgrund der Federkraft der Metallklammer 50 erfolgt.

[0021] Wie in Fig. 5 gezeigt, werden die beiden Plattenelemente über das federnde Klemmelement 50 bündig miteinander verpresst, wobei in dem Plattenelement 30 ein O-Ring 60 angeordnet ist, der für die flüssigkeitsdichte Verbindung der beiden Wärmetauscherelemente 10,10' verantwortlich ist.

[0022] Wird als Verbindungselement eine Schraubverbindung 50, wie in Fig. 4A gezeigt, eingesetzt, so ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Oberkante der Plattenelemente 30 bzw. 31 Ausnehmungen 70 für die Aufnahme des Verbindungselementes 50 vorgesehen sind. Des weiteren weisen die Plattenelemente 30, 30', 31, 31' eine Bohrung 80 auf, in die die Schraube 51 einschraubbar ist (Fig. 6A). Ebenso ist in einer weiteren Variante der Erfindung lediglich ein Verschrauben der Plattenelemente 30', 31 miteinander über eine Schraube 51 ohne zusätzliches Verbindungselement, beispielsweise eine Klammer vorgesehen (Fig. 7A).

[0023] In einer anderen Ausführung weist das Plattenelement 30 gemäß Fig. 6B keine einzel- 3/12

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT 10 858 U1 2009-11-15 nen O-Ringe um jede Öffnung 21 auf, sondern eine umlaufende O-Ringdichtung 61, so dass die Kosten für die erforderlichen Dichtmittel reduziert sind. [0024] In der Fig. 7B ist eine weitere Variante zur Verbindung zweier benachbarter Wärmetauschereinheiten 10, 10' dargestellt, wobei hier eine Keilverbindung 53 mit einem in die Bohrung 80 eingesteckten Passstift 54 vorgesehen ist. [0025] In Fig. 7C schließlich ist eine Klemmverbindung 55 mit beidseitiger Keilfläche 56 dargestellt. [0026] Um die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit 10, 10' weiter zu reduzieren, ist in einer besonders einfachen Variante gemäß Fig. 8A vorgesehen, dass die Aluminiumrohre 20, 20' in die jeweiligen Plattenelemente 31, 30' eingeklebt sind, und eine Flächendichtung 62 zur flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen den Plattenelementen 30', 31 angeordnet ist. Das Verbindungselement ist in dieser Darstellung der Einfachheit halber nicht dargestellt. [0027] In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Strömungsrohre 20, 20' jeweils in die Plattenelemente 30', 31 verpresst (Fig. 8B). Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Rohre 20, 20' mit den Plattenelementen 30', 31 verschweißt sind (Fig. 8C). Selbstverständlich ist auch eine Ausführung vorgesehen, bei der gemäß Fig. 8D ein O-Ring 60 in ein Plattenelement 30' konzentrisch zu den verpressten Strömungsrohren 20,20' angeordnet ist. Ansprüche 1. Modulares Wärmetauschersystem (10, 10') mit zumindest zwei Wärmetauschereinheiten (10, 10'), die jeweils eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweisen, die von einem Medium durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Wärmetauschereinheiten (10,10') überwiegend aus Metall gefertigt sind und über zumindest ein Verbindungselement (50, 51, 53, 54, 55) miteinander zumindest flüssigkeitsdicht lösbar verbindbar sind, wobei die zumindest zwei Wärmetauschereinheiten (10, 10') entlang einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
2. 2. Modulares Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wärmetauschereinheit (10,10') eine Vielzahl von Strömungskanälen (20, 20') aufweist, die jeweils mit einem Strömungskanal (20, 20') einer benachbarten Wärmetauschereinheit (10, 10') über das zumindest eine Verbindungselement (50, 51, 53, 54, 55) zumindest flüssigkeitsdicht verbindbar sind.
3. 3. Modulares Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (20, 20') innerhalb einer Wärmetauschereinheit (10,10') parallel zueinander angeordnet sind, wobei je Wärmetauschereinheit (10,10') zwei Plattenelemente (30, 30', 31) vorgesehen sind, die stirnseitig an den Öffnungen der Strömungskanäle (20, 20') angeordnet sind.
4. 4. Modulares Wärmetauschersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verbinden zweier benachbarter Wärmetauschereinheiten (10, 10') jeweils ein Plattenelement (30, 30', 31) einer ersten Wärmetauschereinheit (10,10') an ein Plattenelement (30, 30', 31) einer zweiten Wärmetauschereinheit (10,10') angeordnet ist, sodass die jeweiligen Öffnungen der Strömungskanäle (20, 20') miteinander in strömungsdurchlässiger Verbindung stehen.
5. 5. Modulares Wärmetauschersystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Plattenelement (30, 30', 31) einer Wärmetauschereinheit (10, 10') Ausnehmungen (32) zur Aufnahme von Dichtmitteln (60, 61,62) aufweist.
6. 6. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verbindungselement (50, 51, 53, 54, 55) als Schraubverbindung ausgebildet ist. 4/12 österreichisches Patentamt AT 10 858 U1 2009-11-15
7. 7. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verbindungselement (50, 51, 53, 54, 55) als Keilverbindung ausgebildet ist.
8. 8. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verbindungselement (50, 51, 53, 54, 55) als starres oder federndes Klemmelement ausgebildet ist.
9. 9. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es flächenartig mit einer Sammelleitung als Zulauf und einer Sammelleitung als Rücklauf ausgebildet sind.
10. 10. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Wärmetauschereinheiten (10, 10') zirkulierende Medium eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise ein Glykol-Wassergemisch ist.
11. 11. Modulares Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Wärmetauschereinheiten (10, 10') zirkulierende Medium eine Kühlflüssigkeit ist, die für eine Kühlung nach dem Direktverdampferprinzip geeignet ist.
12. 12. Verwendung des modularen Wärmetauschersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Kühlsystem für die Errichtung einer Eisfläche, insbesondere eines Eislaufplatzes. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen 5/12