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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheinrichtung für eine Windenergieanlage, um in einer ersten Betriebsart einen Schmierfluidstrom in einer Schmierfluidleitung durch Wärmetausch mit einem Luftstrom zu kühlen, mit einem motorisierten Lüfterrad zur Erzeugung des Luftstroms sowie einer flächig benachbart zum Lüfterrad angeordneten Schmierfluidleitung, um eine hohe Wärmetauschfläche von Schmierfluidstrom und Luftstrom zu gewährleisten. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein hierzu korrespondierendes Verfahren.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Wärmetauscheinrichtung einer Schmierfluidversorgung, vorzugsweise in einer Windenergieanlage. Das Schmierfluid für die Zahnräder und Wälzlager einer Windenergieanlage, einschließlich Hauptgetriebe und Azimutgetriebe, wird durch Reibung im Betrieb aufgeheizt, weshalb eine Wärmetauscheinrichtung primär dafür eingesetzt wird, aus dem Schmierfluidkreislauf Wärme abzuführen und die Schmierfluidtemperatur in einem optimalen Betriebsbereich zu halten.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus dem Stand der Technik (Broschüre „Drive & Control-Technologie für Windenergieanlagen", Bosch Rexroth AG, RD 76110/08.10, 2010) geht eine Wärmetauscheinrichtung hervor, bei der das Schmierfluid durch eine Schmierfluidpumpe in Kühllamellen geführt wird, die von außen durch einen elektromotorbetriebenes Lüfterrad belüftet werden. Im Anschluss wird das nun gekühlte Schmierfluid in die Getriebe weitergeleitet.
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Neben der Kühlung des Schmierfluids ist auch die Aufheizung des Schmierfluids vor allem zum Start des Betriebs einer Windenergieanlage vonnöten. Der Grund dafür ist, dass die Temperatur in den Schmierfluidleitungen einer Windenergieanlage in Bereiche unter –40° C abfallen kann, in denen beispielsweise Schmieröl eine dickflüssige Konsistenz annimmt. In diesem Fall kann das Schmierfluid sich aufgrund seiner Viskosität nur langsam durch die Leitungen bewegen. Bevor eine Windenergieanlage mit der Produktion, also mit der Erzeugung von Energie beginnen kann, wird deshalb in einer Kaltstarteprozedur das Schmierfluid auf einen optimalen Betriebsbereich aufgeheizt. Um die Zeitdauer der Kaltstarteprozedur zu verkürzen, werden elektrische Heizelemente eingesetzt, die das Schmierfluid aufheizen. Diese Heizelemente werden beispielsweise in Form von Heizstäben in Getrieben, einer Stillstandheizung in Elektromotoren, Heizmanschetten um Schmierfluidleitungen, in Form eines integrierten Netzes in Schläuchen, als Heizwendeln in Schlauchmündungen oder als Schmierfluidpumpheizung realisiert.
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Die Aufheizung geschieht im Stand der Technik in jedem dieser Fälle nur punktuell und wenig effektiv, unter anderem da die beheizten Leitungen und Schläuche zum Transport geeignet sind und deshalb eine große Querschnittsfläche und kleine Oberfläche besitzen, während für einen optimalen Wärmetausch eine große Oberfläche und ein kleines eingeschlossenes Volumen, also eine kleine Querschnittsfläche wünschenswert sind. Darunter leidet die effektive Heizleistung und somit die Dauer der Kaltstarteprozedur. Außerdem wird im Stand der Technik nur das Schmierfluid erhitzt, während es auch wünschenswert sein kann, Heizleistung auf das Getriebe oder in die Rotorblätter zu leiten, falls diese beispielsweise wegen Frost nicht einsatzbereit sind, oder Heizleistung in die Gondel zu leiten, um die Arbeitsbedingungen beispielsweise während Wartungsarbeiten zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheinrichtung der vorstehend beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass das diese das Schmierfluid physikalisch effektiv und mit geringem Aufwand aufheizen kann.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Wärmetauscheinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein elektrischer Heizwiderstand im Luftstrom der Wärmetauscheinrichtung angeordnet ist, um den Luftstrom zu erhitzen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Schmierfluidleitung an der Wärmetauscheinrichtung bereits optimal für einen Wärmetausch konstruiert ist. Es fällt kein zusätzlicher Aufwand bei zur Bereitstellung einer geeigneten Schmierfluidleitung an. Der elektrische Heizwiderstand, beispielsweise in Form einer Heizspirale oder eines Heizgitters, befindet sich dabei beispielsweise senkrecht im Luftstrom, wodurch dieser aufgeheizt werden kann. Der heiße Luftstrom trifft nun auf die Schmierfluidleitung, die das Schmierfluid in einer für Wärmetausch geeigneten Schmierfluidleitung senkrecht zur Luftstrom transportiert, wodurch das Schmierfluid effektiv aufgeheizt wird.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Drehrichtung des Lüfterrads, und somit die Richtung des Luftstroms, umkehrbar ist. Somit ist es möglich, den Luftstrom leicht in eine um 180° versetzte Richtung zu leiten. In einer typischen Konfiguration ist es somit beispielsweise möglich, den heißen Luftstrom direkt auf das typischerweise unter dem Wärmetauscher liegende Hauptgetriebe und die an der Luft liegenden Schmierfluidleitungen zu leiten, statt nach oben in die Gondel, um das Getriebe aufzuwärmen oder beispielsweise von Frost zu befreien.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Lüfterrad entlang mindestens einer Achse, die senkrecht auf der Rotationsachse des Lüfterrads steht, winkelverstellbar ist. Damit kann erreicht werden, dass die heiße Luft in verschiedene Bereiche der Gondel und beispielsweise in Richtung der Rotorblätter geleitet werden kann, um diese aufzuwärmen oder beispielsweise von Frost zu befreien.
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Gemäß einem die Erfindung betreffenden Verfahren wird vorgesehen, wahlweise das Schmierfluid, ein oder mehrere Getriebe, die Gondel oder die Rotorblätter zu heizen und gegebenenfalls von Frost zu befreien, indem der erfindungsgemäße elektrische Heizwiderstand den durch das Lüfterrad erzeugten Luftstrom aufheizt, während der Winkel und die Drehrichtung des Lüfterrads so eingestellt sind, dass der heiße Luftstrom in eine gewünschte Richtung geleitet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 das Schema einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, und
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2 das Schema eines Längsschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
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Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Gemäß 1 ist an einem Mast 1 eine Gondel 2 befestigt, an welcher ein Rotor 3 außenseitig drehbar gelagert ist, dessen Drehbewegung ein in der Gondel 2 angeordnetes Getriebe 4 antreibt, welches wiederum einen Generator 5 antreibt. An dem Getriebe 4 ist ein Wärmetauscher 6 angebracht, welcher erfindungsgemäß einen erhitzten Luftstrom erzeugen kann und durch Veränderung von dessen Ausrichtung verschiedene Bereiche der Gondel 2 oder das Getriebe 4 oder den Rotor 3 erhitzen oder entfrosten kann.
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Gemäß 2 ist der ein Gehäuse 7 aufweisende Wärmetauscher mit einer Öse 8 vorgesehen, die durch Befestigung an einer nicht dargestellten Befestigungseinheit an dem Getriebe 4 eine gegebenenfalls motorisiert durchführbare Rotation um eine Achse senkrecht zur Schnittebene zulässt. Ein Elektromotor 9 treibt eine Welle 10 an, die zusammen mit den daran befestigten Schaufeln 11 ein Lüfterrad 18 bildet. Somit ist es möglich, die Ausrichtung des nicht dargestellten Luftstroms, der parallel zur Rotationsachse der Welle 10 des Elektromotors 9 gerichtet ist, relativ zum Getriebe zu verändern. Typischerweise ist der Luftstrom weg von dem Getriebe gerichtet. Dann lässt sich durch Rotation um die durch die Öse 8 festgelegte Achse die Richtung festlegen, in die die heiße Luft in die Gondel emittiert wird. Durch Umkehrung der Drehrichtung des Lüfterrads 18 lässt sich der heiße Luftstrom auf das Getriebe 4 richten.
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Zwischen dem Lüfterrad 18 und dem Getriebe 4 befindet sich eine Fassung 12 für die Schmierfluidleitung 13, welche flächig ausgebildet ist und senkrecht auf der Rotationsachse der Welle 10 steht und deshalb durch den nicht dargestellten Luftstrom erhitzt und gekühlt werden kann. Die Fassung 12 ist durch Formschluss mit einer Ausnehmung 14 in dem Gehäuse 7 drehfest mit dem Gehäuse 7 verbunden.
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Zwischen der Fassung 12 und dem Getriebe 4 befindet sich eine weitere Fassung 15 für einen elektrischen Heizwiderstand 16, welcher flächig ausgebildet ist und senkrecht auf der Rotationsachse der Welle 10 steht und deshalb bei Bestromung den Luftstrom effektiv erhitzen kann. Die Fassung 15 ist durch Formschluss mit einer Ausnehmung 17 in dem Gehäuse 7 drehfest mit dem Gehäuse 7 verbunden. Im typischen Fall, in dem der Luftstrom vom Getriebe weg weisend gerichtet ist, wird, sofern der Heizwiderstand 16 hinreichend bestromt ist, die vorbeiströmende Luft erhitzt, bevor sie die darüber liegenden Schmierfluidleitung 13 umspült, welche in Folge erwärmt wird. Die aus dem Gehäuse 7 austretende heiße Luft kann dann je nach Orientierung des Gehäuses 7 weiter andere Bereiche in der Gondel oder im Bereich der Rotorblätter der Windenergieanlage erhitzen. Wird die Drehrichtung des Lüfterrads 18 umgekehrt, so wird die heiße Luft beispielsweise in Richtung des Getriebes 4 emittiert, zu dem oben beschriebenen Zweck.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Heizwiderstand oder Schmierfluidleitung statt durch Formschluss mit einer Fassung beispielsweise durch Verschraubungen oder Vernietung befestigt ist. Ebenso kann die Befestigung des Gehäuses anders als mit der dargestellten Öse geartet sein, um die Rotation um eine Achse senkrecht zur Rotationsachse des Lüfterrads zuzulassen. Auch kann die Reihenfolge, in der von dem Lüfterrad aus die Schmierfluidleitung und der Heizwiderstand angebracht sind, anders sein. Der Heizwiderstand kann auch verschiedene Bauformen, einschließlich einer Wendel, einer Spirale oder eines Gitters annehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mast
- 2
- Gondel
- 3
- Rotor
- 4
- Getriebe
- 5
- Generator
- 6
- Wärmetauscheinrichtung
- 7
- Gehäuse
- 8
- Öse
- 9
- Elektromotor
- 10
- Welle
- 11
- Schaufeln
- 12
- Fassung der Schmierfluidleitung
- 13
- Schmierfluidleitung
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Fassung des Heizwiderstands
- 16
- Heizwiderstand
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Lüfterrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Broschüre „Drive & Control-Technologie für Windenergieanlagen“, Bosch Rexroth AG, RD 76110/08.10, 2010 [0003]
