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Die Erfindung betrifft ein System zur Abfuhr von Wärme aus dem Kühlmedium flüssigkeitsgekühlter Anlagen, insbesondere zur Abfuhr der von Antriebseinheiten industriell genutzter Anlagen erzeugten Wärme.
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Bei Anlagen, die Antriebseinheiten höherer Leistung aufweisen, beispielsweise großtechnischen Anlagen wie Pressen für größere Bauteile, ergibt sich beim Betrieb zugehöriger Elektromotoren, Frequenzumrichter, Torque-Antriebe, Schaltschränken und dergleichen ein beträchtlicher Anfall an abzuführender Wärme. Üblicherweise erfolgt die Wärmeabfuhr durch Flüssigkeitskühlung, wobei als Kühlmedium meist ein Wasser-Glykolgemisch benutzt wird, das in einem Kreislauf einem Vorlaufanschluss der zu kühlenden Anlage zugeführt und von dieser über einen Rücklaufanschluss erwärmt zurückgeführt wird, wobei das erwärmte, zurückgeführte Kühlmedium für den Wärmeentzug durch einen Wärmetauscher strömt, in dem es durch Wärmeaustausch mit Kühlwasser abgekühlt wird. In Anbetracht des bei größeren Anlagen in Frage kommenden hohen Wärmeeintrages, beispielsweise im Bereich von 5 KW bis 500 KW, muss im Hinblick auf die Vermeidung hoher Betriebskosten darauf geachtet werden, dass die Wärmeabfuhr aus dem Kühlmedium mit möglichst geringem Aufwand an Energie und Kosten erfolgt.
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Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein System zur Verfügung zu stellen, das eine energieeffiziente und kostengünstige Wärmeabfuhr aus dem Kühlmedium flüssigkeitsgekühlter Anlagen auch bei hohem, anfallenden Wärmeeintrag ermöglicht.
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Gemäß dem Patentanspruch 1 ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein System gelöst, das folgende Komponenten aufweist:
- – einen Kühlkreis, in dem das Kühlmedium von einem ersten Fluidanschluss zu einem zweiten Fluidanschluss der Anlage förderbar ist,
- – einen ersten, im Kühlkreis angeordneten Wärmetauscher, der von dem vom ersten Fluidanschluss kommenden Kühlmedium und von Kühlwasser für einen Wärmeaustausch durchströmbar ist,
- – einen zweiten, dem ersten Wärmetauscher (15) im Kühlkreis in Fluidströmungsrichtung gesehen nachfolgenden Wärmetauscher, der vom Kühlmedium und für einen Wärmeaustausch von Kältemittel eines Kompressor-Kühlaggregates regelbarer Kälteleistung durchströmbar ist, und
- – eine Steuer- und Regeleinrichtung, welche zur Erreichung eines vorgegebenen Soll-Wertes der Einstell- oder Vorlauftemperatur des Kühlmediums und unter Berücksichtigung der aktuellen Temperatur des nach dem Durchströmen des ersten Wärmetauschers zur Verfügung stehenden Kühlwassers das Kompressor-Kühlaggregat für eine bedarfsweise Erzeugung von im zweiten Wärmetauscher nutzbarer Kühlleistung ansteuert.
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Danach sieht die Erfindung einerseits eine direkte Wasserkühlung des Kühlmediums im ersten Wärmetauscher vor, wobei kostengünstig und ohne ins Gewicht fallenden Energieaufwand Kühlwasser genutzt wird, das bei industriellen Anlagen in üblicher Weise in einem werkseitigen Wassernetz zur Verfügung steht. Bei sich ergebenden Betriebszuständen, bei denen die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers sich dem vorgegebenen Soll-Wert der Einstell- oder Vorlauftemperatur des Kühlmediums annähert und dadurch keine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Kühlmedium beim Durchlauf durch den ersten Wärmetauscher erreichbar ist, steuert die erfindungsgemäß vorgesehene Steuer- und Regeleinrichtung das Kompressor-Kühlaggregat, das als zusätzliche Komponente im System enthalten ist, derart an, dass das Kompressor-Kühlaggregat eine Kühlleistung liefert, die die Minderleistung des ersten Wärmetauschers ausgleicht, so dass die Vorlauftemperatur des Kühlmediums dem Soll-Wert entspricht. Durch stufenlose Leistungsregelung des Kompressor-Kühlaggregats erfolgt die Kompensation leistungsangepasst. Wenn aufgrund einer zu hohen Kühlwassertemperatur kein Kühlbeitrag durch die direkte Kühlung erfolgt, dann übernimmt das Kompressor-Kühlaggregat die komplette Kühlleistung. Sofern im Folgenden die Begriffe „Vorlauf” und „Rücklauf” verwendet werden, bedeutet „Vorlauf” grundsätzlich den Fluid- oder Medienaustritt aus dem jeweiligen Kühler oder Wärmetauscher in Richtung der zu kühlenden Komponenten, beispielsweise in Form der Antriebe von Maschinen, und „Rücklauf” grundsätzlich die andere Strömungsrichtung, also von den Komponenten kommend auf die Eingangsseite des jeweiligen Kühlers oder Wärmetauschers.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist der Kühlkreis einen eine Vorratsmenge an Kühlmedium aufnehmenden Tank auf, aus dem dieses mittels einer Pumpe dem zweiten Fluidanschluss der Anlage zuführbar ist. Dadurch steht eine Art Puffer für die Vorlauftemperatur des Kühlmediums zur Verfügung, weil die Flüssigkeitsmenge die vom zweiten Wärmetauscher kommt, im Tank auf gegebenenfalls abrupte Änderungen der Vorlauftemperatur mit einer entsprechenden Trägheit reagiert.
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Vorteilhafterweise weist die Steuer- und Regeleinrichtung einen die Temperatur des im Tank befindlichen Kühlmediums erkennenden Temperatursensor auf, liefert also der Steuer- und Regeleinrichtung das die Vorlauftemperatur bezeichnende Signal.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Steuer- und Regeleinrichtung einen zweiten, die Temperatur des dem ersten Wärmetauscher zuströmenden Kühlmediums erkennenden und einen dritten, die Temperatur des den ersten Wärmetauscher verlassenden Kühlmediums erkennenden Temperatursensor aufweisen. Der Steuer- und Regeleinrichtung wird dadurch die durch die direkte Wasserkühlung erreichte Kühlleistung signalisiert.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Steuer- und Regeleinrichtung einen vierten, die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers erkennenden Temperatursensor aufweist.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist für das den ersten Wärmetauscher durchströmende Kühlwasser ein Kühlwasserkreis mit Zulauf- und Ablaufzweig vorgesehen, wobei eine von der Steuer- und Regeleinrichtung ansteuerbare Mischer-Ventilanordnung vorgesehen ist, mittels deren der Ablaufzweig des Kühlwasserkreises sperrbar oder mehr oder weniger freigebbar ist und/oder über die ein den ersten Wärmetauscher umgehender Bypasszweig zwischen Zulauf- und Ablaufzweig sperrbar oder mehr oder weniger freigebbar ist. Ein derart ausgelegtes System arbeitet bei allen auftretenden Kühlwassertemperaturen energieeffizient. Ist die zur Verfügung stehende Kühlwassertemperatur für eine direkte und ausschließliche Wasserkühlung mittels des ersten Wärmetauschers geeignet, ist die Mischer-Ventilanordnung im Ablaufzweig in die Offenstellung gesteuert, bei der die gesamte, vom Zulaufzweig gelieferte Kühlwassermenge den ersten Wärmetauscher durchströmt. Hat das Kühlwasser eine zu niedrige Temperatur, die eine zu starke Abkühlung des Kühlmediums bewirken würde, bewirkt die Mischer-Ventilanordnung in einem Bypasszweig zum ersten Wärmetauscher eine Bypassströmung, die die Durchströmung durch den ersten Wärmetauscher entsprechend verringert. Übersteigt die Temperatur des Kühlwassers einen Wert, bei dem das den ersten Wärmetauscher durchströmende Kühlwasser das Kühlmedium unerwünscht erwärmen würde, unterbindet die Mischer-Ventilanordnung den Durchstrom. Bei allen Situationen, bei denen der Durchstrom von Kühlwasser durch den ersten Wärmetauscher unterbunden ist oder keine ausreichende Kühlung im ersten Wärmetauscher vom durchströmenden Kühlwasser erreichbar ist, liefert das Kompressor-Kühlaggregat die fehlende Kühlleistung.
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Die Ventilanordnung kann mit besonderem Vorteil ein Regelkugelventil aufweisen, das durch einen von der Steuer- und Regeleinrichtung ansteuerbaren Schrittmotor betätigbar ist.
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Für einen besonders energieeffizienten Betrieb des Kompressor-Kühlaggregats kann bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen die Anordnung so getroffen sein, dass ein zweiter Kühlwasserkreislauf mit Zulauf- und Ablaufzweig vorgesehen ist, über den ein als dritter Wärmetauscher ausgebildeter Verflüssiger des Kompressor-Kühlaggregats für einen Wärmeaustausch zwischen Kühlwasser und Kältemittel des Kühlaggregats durchströmbar ist. Dadurch erfolgt auch der Verflüssigungsprozess des Kompressor-Kühlaggregats ohne großen Aufwand und Energieeinsatz, wobei der Verflüssigungsdruck beispielsweise durch ein den Volumenstrom des Kühlwassers steuerndes Ventil einstellbar sein kann.
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Mit besonderem Vorteil kann der zweite Wärmetauscher des Kühlkreises den Verdampfer des Kompressor-Kühlaggregats bilden. Mit Vorteil kann diesbezüglich ein Plattenwärmetauscher vorgesehen sein. Vorzugsweise sind der erste, im Kühlkreis angeordnete Wärmetauscher und der den Verflüssiger des Kompressor-Kühlaggregats bildende dritte Wärmetauscher ebenfalls in Form eines Plattenwärmetauschers ausgebildet.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Symboldarstellung die Komponenten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems.
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In der Zeichnung ist mit 1 eine Anlage bezeichnet, die Antriebseinheiten aufweist, mit deren Betrieb eine Wärmeentwicklung einhergeht, die eine Flüssigkeitskühlung erforderlich macht. Bei großtechnischen Anlagen, etwa Pressen für große Werkstücke, kann es sich dabei um beträchtliche Wärmeleistungen, etwa im Bereich von 5 KW oder 500 KW oder mehr handeln. Bei dem vorliegend dargestellten Beispiel wird für einen Wärmeaustrag Kühlwasser benutzt, das in einem werksseitig vorhandenen Kaltwassernetz 3 zur Verfügung steht und über einen Kühlwassereingang 5 und einen Kühlwasserausgang 7 mit dem erfindungsgemäßen System verbunden ist. Bei den in Frage kommenden Brauchwassernetzen kann Wasser aus einer Kühlturmkühlung oder einer freien Luft-Wasser-Kühlung zur Verfügung stehen oder kann auch aus offenen Gewässern entnommen sein. Allgemein kann die Wassertemperatur Schwankungen unterliegen.
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Für die Flüssigkeitskühlung der Anlage 1 ist diese mit einem Kühlkreis 9 verbunden, in dem von einem ersten Fluidanschluss 11 der Anlage 1 ausgehend ein Kühlmedium, im vorliegenden Fall ein Wasser-Glykolgemisch, in einem Kreislauf zu einem zweiten Fluidanschluss 13 der Anlage 1 gefördert wird. Im Kühlkreis 9 schließt sich an den ersten Fluidanschluss 11 ein erster Wärmetauscher 15 in Form eines Plattenwärmetauschers an. Das diesen durchströmende Kühlmedium gelangt über einen Strömungswächter 17 zu einem zweiten Wärmetauscher 19 und nach dessen Durchströmen zu einem Tank 21, der eine Menge des Kühlmediums bevorratet. Eine Tauchpumpe 23 führt Kühlmedium aus dem Tank 21 dem zweiten Fluidanschluss 13 der Anlage 1 zu. Ein erster Temperatursensor 25 im Tank 21 erkennt die Temperatur des Kühlmediums im Tank 21 und damit die Höhe der Einstell- oder Vorlauftemperatur am zweiten Fluid- oder Vorlaufanschluss 13 der Anlage 1. Der erste Temperatursensor 25 liefert sein Temperatursignal an eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 27, die eine automatische Steuerung des Systems bewirkt. Zu diesem Zweck sind mit der Steuer- und Regeleinrichtung 27 ein zweiter Temperatursensor 29, der die Temperatur des vom ersten Fluidanschluss 11 zum ersten Wärmetauscher 15 zuströmenden Kühlmediums erkennt, ein dritter Temperatursensor 31, der die Temperatur des den ersten Wärmetauscher 15 verlassenden Kühlmediums erkennt, und ein vierter Temperatursensor 33 verbunden, der die Temperatur des Kühlwassers erkennt, das über den Kühlwassereingang 5 vom Wassernetz 3 zuströmt.
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Der zweite Wärmetauscher 19, den das vom ersten Wärmetauscher 15 kommende Kühlmedium durchströmt, bevor es zum Tank 21 gelangt, ist in Form eines Plattenwärmetauschers derart ausgebildet, dass er für einen Wärmeaustausch mit dem Kältemittel eines Kompressor-Kühlaggregats 35 den Verdampfer bildet, worauf unten näher eingegangen wird. Damit bildet die fluidführende Verbindungsleitung zwischen dem ersten Fluidanschluss 11 und dem Kühlmedieneintritt am ersten Wärmetauscher 15 den sogenannten Rücklauf für den Wärmetauscher 15 aus. Der Kühlmediumsaustritt nach dem Wärmetauscher 15 und mithin vor dem dritten Temperatursensor 31, bildet dann den sogenannten „Vorlauf” oder den Austritt aus dem Kühler- oder Wärmetauscher 15 aus. Der dahingehende Vorlauf wird nach dem dritten Temperatursensor 31 und dem Strömungswächter 17 zum Rücklauf, also zum Kühlmedien-Eintritt für den zweiten Wärmetauscher 19. Dessen Ausgang bildet dann wiederum den Vorlauf des Wärmetauschers 19, der über eine fluidführende Verbindungsleitung in den Tank 21 ausmündet und das von dort mittels der Tauchpumpe 23 abgezogene Kühlfluid bildet dann nach wie vor den Vorlauf des zweiten Wärmetauschers 19 an der zweiten Fluidanschlussstelle 13, der zu kühlenden und insoweit nur als Black-Box symbolisch dargestellten Anlage 1.
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Für die Durchströmung des ersten Wärmetauschers 15 mit dem dem Wassernetz 3 entnehmbaren Kühlwasser ist ein Kühlwasserkreis 37 mit Zulaufzweig 39 und Ablaufzweig 41 vorgesehen. Der Zulaufzweig 39 ist über ein Sieb 43 mit dem Kühlwassereingang des Wärmetauschers 15 verbunden. Im Ablaufzweig 41 schließt sich an den Kühlwasserausgang des Wärmetauschers 15 eine Mischer-Ventilanordnung in Form eines Regelkugelhahns 45 an, der mittels eines Schrittmotors 47 betätigt ist, der von der Steuer- und Regeleinrichtung 27 steuerbar ist. Dieser Kugelhahn 45 steuert sowohl den Durchfluss durch den Ablaufzweig 41 als auch durch einen Bypasszweig 42, der den ersten Wärmetauscher 15 umgeht.
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Das Kompressor-Kühlaggregat 35, das stufenlos leistungsregelbar ist, weist bedarfsweise einschaltbare Verdichter 49 und 51 in Form von Scrollverdichtern auf, von denen der Verdichter 51 leistungsregelbar ist. Bei im Betrieb befindlichem Kühlaggregat 35 gelangt verdichtetes, gasförmiges Kältemittel über eine Druckleitung 53 zu einem dritten Wärmetauscher 55, ebenfalls in Form eines Plattenwärmetauschers. Dieser ist in einem zweiten Kühlwasserkreis 57 angeordnet, der einen Zulaufzweig 59 für aus dem Wassernetz 3 entnommenes Kühlwasser und einen Ablaufzweig 61 für den Rückstrom von Kühlwasser aufweist. Der dritte Wärmetauscher 55 bildet für das über die Druckleitung 53 zuströmende Kältemittel durch den Wärmeaustausch mit dem Kühlwasser des zweiten Kühlwasserkreises 57 den Verflüssiger für das Kühlaggregat 35.
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Die Regelung des Verflüssigungsprozesses erfolgt mittels eines im Zulaufzweig 59 vorgesehenen Proportionalventils 63, das durch den Druck in der Druckleitung 53 druckgesteuert ist. Das verflüssigte Kältemittel gelangt über einen Sammler 65, einen Trockner 67 und ein Schauglas 69 zu einem Expansionsventil 71, das dem als Verdampfer dienenden zweiten Wärmetauscher 19 vorgeschaltet ist. Für den Betrieb des Kühlaggregats 35 lässt das Expansionsventil 71 einen Kältemittelmassenstrom zur Verdampfung den zweiten Wärmetauscher 19 durchströmen, wenn einer oder beide der Verdichter 49, 51 im Betrieb ist und der Strömungswächter 17 signalisiert, dass ein Mindestdurchfluss an Kühlmedium den Wärmetauscher 19 durchströmt. Das Expansionsventil 71, ebenso wie die Verdichter 49, 51, sind zur Leistungseinstellung des Kühlaggregats 35 von der Steuer- und Regeleinrichtung 27 ansteuerbar.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, die Vorlauftemperatur am zweiten Fluid- oder Vorlaufanschluss 13 der Anlage 1 automatisch auf einem Soll-Wert zu halten, wenn die Rücklauftemperatur am ersten Fluid- oder Rücklaufanschluss 11 schwankt und das Wassernetz 3 Kühlwasser schwankender Wassertemperatur zur Verfügung stellt. Bei Situationen, bei denen die Kühlwassertemperatur aus dem Netz 3 einige Kelvin niedriger als die gewünschte Vorlauftemperatur des Kühlmediums ist, kann bei entsprechend geöffnetem Regelkugelhahn 45 und geschlossenem Bypasszweig 43 der Kühlvorgang ausschließlich durch das im ersten Kühlwasserkreis 37 strömende Kühlwasser erfolgen. Das Kälteaggregat 35 ist inaktiv. Nähert sich die Temperatur des Kühlwassers des Netzes 3 dem Soll-Wert der Vorlauftemperatur an, so dass keine ausreichende direkte Wasserkühlung aus dem Netz 3 ausreichend ist, wird das Kühlaggregat 35 derart aktiviert, dass durch Wärmeaustausch in dem den Verdampfer bildenden zweiten Wärmetauscher 19 die Minderleistung der direkten Wasserkühlung kompensiert wird. Wenn die Kühlwassertemperatur des Wassernetzes 3 einen Wert übersteigt, der im ersten Wärmetauscher 15 zu einer unerwünschten Erwärmung des Kühlmediums führen könnte, wird durch entsprechende Einstellung des Regelkugelhahns 45 der Kühlwasserdurchstrom durch den Wärmetauscher 15 unterbunden, indem zwischen Zulaufzweig 39 und Ablaufzweig 41 der den Wärmetauscher 15 umgehende Bypasszweig 42 geöffnet wird.
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Bei Situationen, bei denen die im Netz 3 vorhandene Kühlwassertemperatur so weit unter dem Soll-Wert der Vorlauftemperatur liegt, dass bei vollem Durchstrom des Kühlwassers durch den Wärmetauscher 15 eine zu starke Kühlwirkung entstünde, drosselt der Regelkugelhahn 45 den durchströmenden Volumenstrom des Kühlwassers und/oder bewirkt eine Bypassströmung über den Bypasszweig 42, um einen begrenzten Kurzschluss zwischen Zulaufzweig 39 und Ablaufzweig 41 herzustellen, um den Durchstrom durch den Wärmetauscher 15 zu verringern. Die Steuer- und Regeleinrichtung 27, welche zur Erreichung eines vorgegebenen Soll-Wertes der Vorlauftemperatur des Kühlmittels dient, steuert dabei unter Berücksichtigung der aktuellen Temperatur des nach dem Durchströmen des ersten Wärmetauschers 15 an der dritten Messstelle 31 zur Verfügung stehenden Kühlwassers das Kompressor-Kühlaggregat 35 für die bedarfsweise Erzeugung von im zweiten Wärmetauscher 19 nutzbarer Kühlleistung an.
