Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kühlkreislaufvorrichtung, umfassend a) einen entleerbaren Wärmetauscher, b) ein Kühlmediumbecken, c) eine Zuflussleitung vom Kühlmediumbecken zum Wärmetauscher, d) eine Abflussleitung vom Wärmetauscher zum Kühlmediumbecken, e) eine in die Zuflussleitung zwischengeschaltete Pumpe, zum Pumpen des Kühlmediums in Richtung Wärmetauscher.

Die Erfindung betrifft zudem ein Kühlverfahren mit der erfindungsgemäßen Kühlkreis¬ laufvorrichtung, wobei a) im Normalbetrieb das Kühlmedium vom Verbraucher /den Verbrauchern kom¬ mend in einem Hauptkreislauf durch den Wärmetauscher fließt, von diesem, ge¬ kühlt wird und über das Kühlmediumbecken wieder dem Verbraucher oder den Verbrauchern zugeführt wird und b) im Sonderbetrieb das im Wärmetauscher enthaltene Kühlmedium abfließt.

Eine Kühlkreislaufvorrichtung mit Querstromwärmetauscher ist bereits aus der DE 196 13 910 A1 bekannt. Mit dem dort vorgestellten Querstromwärmetauscher können die Wärmetauscherrohre während der Stillstandzeiten schnell entleert und ein Einfrieren der Wärmetauschflüssigkeit verhindert und auf diese Weise der Wärmetauscher vor Zerstörung bewahrt werden. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass nach dem Herausschalten des Querstromwärmetauschers eine weitere Versorgung eines Verbrauchers mit Kühlwasser nicht mehr gegeben ist. Dies ist bei der offenbarten Kühl¬ kreislaufvorrichtung auch nicht von Nöten, solange sie in Bereichen eingesetzt wird, in denen auf eine Nachkühlung verzichtet werden kann. Dies ist z. B. in der Kunststoffin- dustrie bei gekühlten Spritzgussmaschinen der Fall.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlkreislaufvorrichtung und ein Kühlverfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, womit auch nach dem Herausschalten des Wärmetauschers der Verbraucher noch mit Wasser ge¬ kühlt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch f) einen in die Zuflussleitung zwischengeschalteten Verbraucher, der nach der Pumpe angeordnet ist, g) eine Kurzleitung, die mit ihrem unteren Ende in dem Kühlmediumbecken mündet und mit ihrem oberen Ende über ein Dreiwegeventil oder zwei Zweiwegeventile mit der Zuflussleitung zwischen Verbraucher und Wärmetauscher verbunden ist und h) eine Zwischenleitung mit Sperrventil, die mit ihrem unteren Ende in dem Kühlmedi¬ umbecken mündet und mit ihrem oberen Ende mit der Zuflussleitung zwischen dem Dreiwegeventil und dem Wärmetauscher oder zwischen den zwei Zweiwegeventilen und dem Wärmetauscher verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Kühlkreislaufvorrichtung besticht durch ihren einfachen Aufbau mit nur einer Pumpe. Nach dem Herausschalten des Wärmetauschers kann der Verbraucher noch mit Wasser gekühlt werden ohne Zuhilfenahme eines zweiten Pumpenkreises. Der Wasserverbrauch kann minimiert werden und auf den Einsatz von Glykol kann vollständig verzichtet werden. Üblicherweise müssen ca. 35 % Glykol als Frostschutzmittel zugesetzt werden, damit ein Frostschutz bis minus 2O 0 C garantiert werden kann. Ein Kreislauf benötigt ca. 2000 I mit Glykol versetztes Wasser. Glykol ist zu teuer, steigert nachteilig den Leitwert von Wasser um ca. 35 Mikrosiemens und muss zudem umweltfreundlich entsorgt werden. Da die Wärmekapazität von Glykol- Wassergemischen schlechter ist als die von Wasser, muss eine mit Glykol-Was- sergemisch arbeitende Anlage größer ausgelegt werden als eine allein mit Leitungs¬ wasser arbeitende Anlage. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf eine Fremdheizung verzichtet werden. Diese Fremdheizungen, die ein Gefrieren des Wär¬ metauschers bei tiefen Temperaturen verhindern sollen, arbeiten mit Strom. Es darf bei diesen Anlagen zu keinem Stromausfall kommen, da ansonsten die sehr teuren Wärmetauscher zerstört würden. Durch den kurzgeschlossenen Behelfs-Kreislauf ist eine Nachkühlung der Verbraucher garantiert. Eine solche Kühlkreisvorrichtung ist insbesondere im Metallbereich mit Öfen als Verbrauchern einsetzbar.

Vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Kühlkreislaufvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Aufgabe wird bei einem Kühlverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Sonderbetrieb der Wärmetauscher aus dem Kühlkreislauf genommen wird und das Kühlmedium nur noch in einem Behelfskreislauf zwischen Kühlmediumbecken und Verbraucher oder Verbrauchern zirkuliert.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser erfindungsgemäßen Kühlverfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Erläuterung und Abgrenzung zum Stand der Technik sind die ersten beiden Figuren aufgenommen worden.

Zwei Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand der 3. und 4. Figur erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine Kühlkreislaufvorrichtung mit Querstromwärmetauscher nach DE 196 13 910 A1 ,

Fig. 2: einen Querstromwärmetauscher nach DE 196 13 910 A1 ,

Fig. 3: eine erfindungsgemäße Ausbildungsform einer Kühlkreislaufvorrichtung und

Fig. 4: eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kühlkreislaufvorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Kühlkreislaufvorrichtung nach dem Stand der Technik DE 196 13 910 A1 (dort Fig. 2) vorgestellt. Der Querstromwärmetauscher 1 ist über eine Abflussleitung 2 mit einem Kaltbehälter 3 verbunden. Von dort fließt das gekühlte Wasser in einen Warmbehälter 4. Anschließend wird das aufgewärmte Wasser wieder über eine Zu¬ flussleitung 5 zum Querstromwärmetauscher 1 mit der Pumpe 6 gepumpt. Der Verbrau¬ cher selbst ist in der Kühlkreislaufvorrichtung nicht dargestellt. Der Querstromwärme¬ tauscher 1 ist mit einer Belüftungseinrichtung 7 versehen. Im Betrieb tritt aus dem Be- lüftungsstutzen 8 ständig eine geringe Menge Wärmetauschflüssigkeit aus. Diese wird vom Trichter 9 aufgefangen und über die Überlaufleitung 10 zum Kaltbehälter 3 zurück¬ geführt.

In Fig. 2 ist der Querstromwärmetauscher aus dem Stand der Technik DE 196 13 910 A1 (dort Fig. 1 ) dargestellt. Dieser Querstromwärmetauscher 1 , der auch bei der vorlie¬ genden Erfindung eingesetzt werden kann, umfasst einen sich auf sechs Beinen 11 ab¬ stützenden Rahmen 12, welcher ein Gehäuse 13 trägt. Auf der Oberseite des Gehäu¬ ses sind elektromotorisch angetriebene Ventilatoren 14 vorgesehen. Diese stellen eine von unten nach oben gerichtete Durchströmung des Querstromwärmetauschers 1 mit Luft sicher. Die durchströmende Luft ist mit Pfeilen angedeutet.

Die Wärmetauschflüssigkeit (z. B. Wasser) wird dem Querstromwärmetauscher 1 über ein Zuflusselement 15 zugeführt. Diese verlässt den Querstromwärmetauscher 1 über ein Abflusselement 16. In bekannter Weise weisen Zuflusselement 15 und Abflussele- ment 16 jeweils einen Sammler 17 bzw. 18 auf, in welchen jeweils ein einen Anschluss¬ flansch aufweisender Anschlussstutzen 19 bzw. 20 mündet.

Innerhalb des Gehäuses 13 des Querstromwärmetauschers 1 ist ein Wärmetauschele¬ ment 21 angeordnet. Dieses umfasst eine Vielzahl zueinander parallel verlaufender Rohre 22 und sich rechtwinklig zu diesen erstreckende Wärmetauschlamellen 23. Die Hälfte der Rohre 22 steht mit dem Sammler 17 des Zuflusselements 15 in Verbindung, die andere Hälfte mit dem Sammler 18 des Abflusselements 16. Das Wärmetauschele¬ ment 21 ist in dem Gehäuse 13 bezüglich der Horizontalen geneigt angeordnet; somit besitzen auch die Rohre 22 eine identische Neigung gegenüber der Horizontalen.

Auf der dem Zuflusselement 15 und dem Abflusselement 16 gegenüberliegenden Seite des Querstromwärmetauschers 1 ist ein Sammler 24 angeordnet. An diesen sind samt- liehe Rohre 22 angeschlossen. Darüber hinaus ist an den Sammler 24 ein Belüftungs¬ stutzen 8 angeschlossen.

Während des Betriebs des Querstromwärmetauschers 1 strömt das Wärmetauschme- dium über das Zuflusselement 15 in die an dessen Sammler 17 angeschlossenen Rohre 22 ein und tritt aus diesen an deren Mündung in den Sammler 24 aus. Von die¬ sem tritt es in diejenigen Rohre 22 ein, welche mit dem Sammler 18 des Abflussele¬ ments 16 in Verbindung stehen.

Zur Entleerung des Querstromwärmetauschers 1 , beispielsweise für Stillstandszeiten, werden an den Sammlern 17 und 18 des Zu- bzw. Abflusselements 15, 16 angeord¬ nete Ablässe 25 geöffnet, nachdem zuvor die Umwälzpumpe des Heiz- bzw. Kühlkreis¬ laufs außer Betrieb gesetzt wurde. Durch den Belüftungsstutzen 8 strömt Luft in den Sammler 24 ein, und die Wärmetauschflüssigkeit fließt aufgrund der Neigung sämtlicher Rohre 12 sowohl zum Zuflusselement 15 als auch zum Abflusselement 16 hin ab und verlässt das Wärmetauschelement 21 durch die Ablässe 25.

Der in Fig. 1 dargestellte Strömungswächter 26 und das Frostschutzthermostat 27 können zur Initiierung einer automatischen Entleerung eingesetzt werden.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Kühlkreisiaufvorrichtung mit Haupt- und Behelfskreislauf dargestellt.

Der Hauptkreislauf umfasst einen an höchster Stelle angeordneten Querstromwärme- tauscher 101, ähnlich dem, der in Fig. 2 erläutert wurde. Die den Querstromwärmetauscher 101 durchströmende Luft ist mit Pfeilen angedeutet. Ebenso ist die Kreislaufdurchflussrichtung des Wassers im Hauptkreislauf und im Behelfskreislauf mit Pfeilen angedeutet.

Tiefer angeordnet ist ein mit Wasser gefülltes Kühlmediumbecken 102, welches mit dem Querstromwärmetauscher 101 über eine Abflussleitung 103 verbunden ist. Diese Abflussleitung 103 endet dabei unterhalb des Wasserspiegels im Kühlmediumbecken 102. Sie soll unterhalb des Wasserspiegels enden, um eine Sauerstoffaufnahme des Kühlwassers auf ein Minimum zu reduzieren. Auf der der Zuflussleitung 104 und Ab¬ flussleitung 103 gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 101 ist ein Sammler 105 vorgesehen, an dem einerseits die Wärmetauscherrohre 106 und andererseits eine Belüftungseinrichtung 107 angeschlossen sind. Die Belüftungseinrichtung 107 weist eine Belüftungswasserleitung 109 auf. Die Belüftungswasserleitung 109 verbindet die Belüftungseinrichtung 107 mit dem Kühlmediumbecken 102. Die Belüftungswasserleitung 109 endet oberhalb des Wasserspiegels, damit Luft und kein Wasser in den Querstromwärmetauscher 101 eintritt. Anstelle der Belüftungswasserleitung 109 kann auch ein Belüftungsventil vorgesehen sein. Die Zuflussleitung 104 weist im Bereich kurz vor und die Abflussleitung 103 im Bereich kurz nach dem Wärmetauscher 101 eine leichte Steigung bzw. ein Gefälle von mindestens 2% auf.

Das Kühlmediumbecken 102 ist mittels der Zuflussleitung 104 und über eine zwischen- geordnete Pumpe 110 und einen zwischengeschalteten Verbraucher 111 wieder mit dem Querstromwärmetauscher 101 verbunden. Das Kühlmediumbecken 102 ist vor¬ zugsweise aus Kunststoff gefertigt. Das Kühlmediumbecken 102 ist mit einer Entlüf¬ tungsarmatur 112 mit einem Sicherheitsdruckventil und mit einem Überlauf 113 versehen, das bei Drucksteigerungen ≥ 0,1 bar sich kurzzeitig öffnet. Als Kühlmedium wird Wasser eingesetzt.

Als Verbraucher 111 kommt insbesondere eine Ofenanlage in Betracht. An dem Verbraucher 111 erwärmt sich das Wasser und wird durch die Zuflussleitung 104 dem höher angeordneten Querstromwärmetauscher 101 zugeführt und kühlt dort ab. Das abgekühlte Wasser fließt über die Abflussleitung 103 zum Kühlmediumbecken 102 und wird von dort mittels der nachgeordneten Pumpe 110 wieder zum Verbraucher 111 ge¬ bracht.

Für den Fall, dass der Querstromwärmetauscher 101 abgeschaltet werden muss, z. B. bei Wartungsarbeiten oder Frostgefahr, wird der Querstromwärmetauscher 101 belüftet. Einen Teil des Wassers im Querstromwärmetauscher 101 fließt dann aufgrund der Schwerkraft durch die Abflussleitung 103 zum Kühlmediumbecken 102. Damit auch der Teil des Wassers, der sich in den sich an die Zuflussleitung 104 anschließenden War- metauschrohren 106 befindet, abfließen kann, ist eine Zwischenleitung 114 mit Sperr¬ ventil 115 vorgesehen, die mit ihrem unteren Ende in dem Kühlmediumbecken 102 unterhalb des Wasserniveaus endet und mit dem oberen Ende mit der Zuflussleitung 104 vor dem Querstromwärmetauscher 101 verbunden ist. Die Zwischenleitung 114 soll mit ihrem unteren Ende in dem Kühlmediumbecken 102 unterhalb des Wasserni¬ veaus enden, um die Sauerstoffaufnahme des Kühlwassers auf ein Minimum zu redu¬ zieren.

Im Normalfall, wenn das Wasser durch die Zuflussleitung 104 zum Querstromwärme- tauscher 101 gelangen soll, ist das Sperrventil 115 der Zwischenleitung 114 geschlos¬ sen. Der Wasserabfluss durch die Zwischenleitung 114 zum Kühlmediumbecken 102 ist dann nicht möglich. Erst beim Abschalten des Querstromwärmetauschers 101 wird das Sperrventil 115 geöffnet und das abgekühlte Wasser kann schwerkraftbedingt vom Ab¬ schnitt der Zuflussleitung 104 kurz vor dem Querstromwärmetauscher 101 über die Zwischenleitung 114 in das Kühlmediumbecken 102 fließen.

Soll nun das Wasser ohne den Querstromwärmetauscher 101 weiterhin zirkulieren, so wird es über ein Dreiwegeventil 116, dass in der Zuflussleitung 104 hinter dem Verbraucher 111 und vor der Zwischenleitung 112 angeordnet ist, derart geschaltet, dass das Wasser über eine Kurzleitung 117 direkt ins Kühlmediumbecken 102 fließt. Anstelle des Dreiwegeventils 116 können auch zwei Zweiwegeventile eingesetzt wer¬ den. Die Kurzleitung 117 endet dabei unterhalb des Wasserniveaus im Kühlmediumbe¬ cken 102. Die Kurzleitung 117 soll unterhalb des Wasserniveaus enden, um die Sauer¬ stoffaufnahme des Kühlwassers auf ein Minimum zu reduzieren. In diesem Behelfs- kreislauf zirkuliert das Wasser aufgrund der Pumpenleistung zwischen Verbraucher 111 und Kühlmediumbecken 102. Das Wasserniveau in dem Kühlmediumbecken 102 wird mit einem Niveauwächter 125 kontrolliert.

Ein Vorteil der vorgestellten Kühlkreislaufvorrichtung besteht in ihrem gedämpften Tem- peraturanstieg- und Abkühlverhalten durch das zwischengeschaltete Kühl¬ mediumbecken 102. Dieses Kühlmediumbecken 102 nimmt die bei Verbrauchern, ins¬ besondere Öfen, plötzlich auftretenden Temperaturveränderungen gut auf. Dadurch werden die Steuerungseinstellungen wesentlich vereinfacht und die Schaltspiele der Ventilatoren (14) minimiert. Bei bekannten geschlossenen Kühlkreisläufen mit Luftkühlern, insbesondere Querstromwärmetauschern, müssen sonst steuerungstechnisch große Anstrengungen unternommen werden, um diese Problematik in den Griff zu bekommen.

Fig. 4 ist ein Querstromwärmetauscher 101 und eine Kühlkreislaufanordnung nach Fig. 3 zu entnehmen. Jedoch sind hier anstelle eines Verbrauchers 111 zwei parallel ge¬ schaltete Verbraucher 111' und 111" in Form zweier Öfen dargestellt. Die Spulen der Öfen geben dabei Wärme ab.

In dem jeweiligen Zuleitungsabschnitt der Zuflussleitung 104 vor dem jeweiligen Verbraucher 111', 111" ist eine Rückschlagklappe 118 und ein Notwasserventil 119 angeordnet. Sollte einmal die Temperatur des Wassers an einem oder beiden Verbrauchern 111' und 111" zu hoch steigen, die Pumpe ausfallen oder ein Stromausfall eintreten, kann schnell kühles Wasser - üblicherweise normales Wasser der Stadtwerke - über das Notwasserventil 119 vor den Verbrauchern 11 Tund 111" zugeführt und nach der Kühlung der Verbraucher 111"und 111" über den Überlauf 113 in einen Ausflusskanal 108 abfließen. Aufgabe der Rückschlagklappe 118 ist es, im Notwasserbetrieb zur Kühlung der Verbraucher das Notwasser an diese heranzuführen, d.h. ein direktes Abfließen des Notwassers zum Kühlmediumbecken 102 hin und über den Überlauf 113 in den Ausflusskanal 108 zu verhindern. Das Notwasser kann auch dazu eingesetzt werden, den Wasserspiegel an der jeweiligen Ofenspule auf einem bestimmten Niveau zu halten. Bei einem unvorhergesehenen Absinken des Wasserniveaus würde die zu kühlende Ofenspule ansonsten von oben nach unten zerstört werden.

Jeweils ein Temperaturregelventil 120 ist in dem jeweiligen Zuleitungsabschnitt der Zuflussleitung 104 nach dem jeweiligen Verbraucher 111', 111" angeordnet. An diesem Temperaturregelventil 120 wird die Temperatur des erwärmten Wassers bestimmt. Diese sollte ≥ 70° C betragen. Entsprechend der jeweiligen Verbrauchsleistung kann die Wasserzuflussmenge über nicht dargestellte Regelventile durch Drosselung oder Erweiterung der Wasserzuflüsse am jeweiligen Verbraucher 111', 111" geregelt werden. Eine derartige Temperaturregelung kann auch bei einem EinzelVerbraucher eingesetzt werden. Die Temperatur des Wassers in den jeweiligen Abschnitten der Zuflussleitungen 104 direkt hinter den Öfen sollte so hoch wie möglich sein. Die Temperatur des Wassers sollte nach der Abkühlung im Wärmetauscher 101 mindestens noch 20° C betragen. Die Temperatur des abgekühlten Wassers wird mit einem Mittel zur Temperaturerfassung 124 -insbesondere mit einem PT100- erfasst.

In Fig. 4 ist die Schaltanlage 121 in Reihe mit dem Kühlkreislauf geschaltet. Die Schalt¬ anlage 121 ist über einen eigenen Wärmetauscher 122 mit der Zuflussleitung 104 zwi¬ schen Pumpe 110 und den Öfen 111', 111" angeordnet. Die Schaltanlage 121 erwärmt das ihr zugeordnete Wasser. Dieses Wasser kann mit 0,3 % Korrosionsmittel (Inhibitor) versetzt sein. Es kann auch mit voll entsalztem Wasser gearbeitet werden. Dieses er¬ wärmte Wasser fließt zu dem Wärmetauscher 122 der Schaltanlage und wird dort von dem kühlen Wasser der Zuflussleitung 104 gekühlt.

Ein solches In-Reihe-Schalten des Wärmetauschers 122 ist bei Schaltanlagen 121 mit kleinerer Leistung zu empfehlen. Der Vorteil des In-Reihe-Schaltens besteht darin, dass die Umlaufmengen an Wasser und somit auch die Pumpenleistung gering gehalten werden kann. Es ist theoretisch auch möglich, den Wärmetauscher 122 der Schaltan¬ lage 121 parallel zu den Verbrauchern zu schalten; das ist jedoch kostspielig. Es muss zudem gewährleistet sein, dass eine konstante Kühlleistung an der kostspieligen Schaltanlage erzielt wird. Eine Schaltanlage sehr großer Leistung sollte separat über einen eigenständigen, d. h. vom Ofenkreislauf unabhängigen Kreislauf, geregelt wer¬ den.

In Fig. 4 ist auch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung 123 in Form eines hinter den Öfen in Reihe geschalteten Wärmetauschers zu entnehmen. Diese Wärmerückgewin¬ nungseinrichtung 123 ist fakultativ, d. h. kann bei Bedarf zugeschaltet werden. Über den Wärmetauscher zurück gewonnene Wärme kann z. B. eingesetzt werden für Heizungs¬ kreise oder Brauchwasserkreise.

Der in Fig, 4 vorgestellte Kühlkreislauf wird z. B. bei Öfen eingesetzt, bei denen 3000 KW Wärmeverlust während des Betriebes weggeführt werden müssen. Am Wochen¬ ende, wenn der Ofen nicht benutzt werden kann, müssen weiterhin Wärmeverluste ab- geführt werden, die ständig abnehmen auf z. B. bis 190 KW. Entsprechend muss auch der Kühlkreislauf heruntergeschaltet werden. Es kann 12 Stunden dauern bis sich eine Ofenausmauerung abgekühlt hat. Bezugszeichenliste

1. Querstromwärmetauscher 101. Querstromwärmetauscher 2. Abflussleitung 102. Kühlmediumbecken 3. Kaltbehälter 103. Abflussleitung 4. Warmbehälter 104. Zuflussleitung 5. Zuflussleitung 105. Sammler 6. Pumpe 106. Wärmetauscherrohr 7. Belüftungseinrichtung 107. Belüftungseinrichtung 8. Belüftungsstutzen 108. Ausflusskanal 9. Trichter 109. Beiüftungswasserleitung 10. Überlaufleitung 110. Pumpe 11. Bein 111. Verbraucher 12. Rahmen 111\ erster Verbraucher 13. Gehäuse 111". zweiter Verbraucher 14. Ventilator 112. Entlüftungsarmatur 15. Zuflusselement 113. Überlauf 16. Abflusselement 114. Zwischenleitung 17. Sammler des Zuflusselement 15 115. Sperrventil 18. Sammler des Abflusselement 16 116. Dreiwegeventil 19. Anschlussstutzen des Zuflusselement 15 117. Kurzleitung 20. Anschlussstutzen des Abflusselement 16 118. Rückschlagklappe 21. Wärmetauschelement 119. Notwasserventil 22. Rohre 120. Temperaturregelventil 23. Wärmetauschlamellen 121. Schaltanlage 24. Sammler 122. Wärmetauscher 25. Ablässe 123. Wärmegewinnungsein¬ 26. Strömungswächter richtung 27. Frostschutzthermostat 124. Mittel zur Temperaturerfas sung 125. NiveauWächter