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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein mobiles
Kühlfahrzeug
mit einem Tank für
verflüssigtes
Gas umfassend eine Rohrleitung zur Aufnahme eines Stroms eines verflüssigten
Gases und zur Verdampfung mindestens eines Teils des verflüssigten
Gases, wobei die Rohrleitung zumindest abschnittsweise eine Längsachse
aufweist und der Wärmetauscher
eine Eintrittsseite für
verflüssigtes Gas
und eine Austrittsseite für
zumindest teilweise verdampftes Gas umfasst und wobei die Austrittsseite
mit einer Abgasleitung strömungsverbunden
ist.
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Seit
ca. 30 Jahren wird Stickstoff zur Fahrzeugkühlung mit Mehrkammersystemen
eingesetzt. Ein derartiges Verfahren ist unter dem Namen CryogenTrans
(CT) bekannt. Beim CT-Verfahren wird Stickstoff in flüssiger,
tiefkalter Form in einem vakuumisolierten Behälter am oder im Fahrzeug mitgeführt. Dieser
wird bei Kältebedarf über eine
Rohrleitung entnommen und durch den Eigendruck des Mediums direkt
in den zu kühlenden
Raum eingesprüht.
Das Verfahren ist besonders einfach und störungsunempfindlich. Ferner
ist die Kälteleistung
unabhängig
von der Umgebungstemperatur immer gleich hoch. Sie ist prinzipiell
nur durch den Durchlass der Einsprühdüsen begrenzt. Daher zeigen
CT gekühlte
LKW, die im Verteilerverkehr von Lebensmittel eingesetzt werden und
naturgemäß zahlreiche
Türöffnungen
während des
Kühlbetriebs
haben, erhebliche Vorteile bei der Qualität der Kühlung. Insbesondere im Hochsommer, wenn
mechanische Kälteanlagen
mit Leistungsabfällen
an den Kondensatoren und mit Vereisungen an den Verdampfern zu kämpfen haben,
zeigt das CT-Verfahren seine Vorteile hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit
und Leistung. Nach einer Türöffnung ist in
Sekundenschnelle die Solltemperatur wieder erreicht.
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Das
Verfahren hat aber auch Nachteile. Der Stickstoffverbrauch ist relativ
hoch, weil das in eine Kammer eingesprühte Gas zumindest teilweise
auch als Abgas wieder entweicht. Wird beispielsweise eine Tiefkühlkostkammer
gekühlt,
so liegt die Abgastemperatur bei ca. -30 bis -40°C. Nachteilig ist es auch, dass
ein Laderaum vor einem Betreten aus Sicherheitsgründen vollständig belüftet werden
muss. Hier fällt
unnötig
viel Warmluft in den Laderaum. Das erneute Herunterkühlen geschieht
zwar sehr schnell, kostet aber mehr Energie und bereitet damit mehr Kosten
als notwendig. Der sonst übliche
Einbau von Kälterückhaltesystemen,
wie z.B. von einem Vorhang, scheidet bei CT-gekühlten Fahrzeugen aus, da sie
die Belüftung
in gefährlicher
Weise behindern würden.
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EP 0 826 937 A beschreibt
eine Kühleinheit für einen
zu kühlenden
Raum.
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EP 1 593 918 A betrifft
eine indirekte Kühlung
für Kühlfahrzeuge,
wobei ein Wärmetauscher zum
Verdampfen von kälteverflüssigtem
Gas in einer Kühlkammer
angeordnet ist.
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Verflüssigter
tiefkalter Stickstoff hat bei Normaldruck eine Temperatur von 77°K. Die dabei
gespeicherte Kälte
liegt in zwei Anteilen vor: Zum einen in einem Teil, der während der
Phasenumwandlung von flüssig
in gasförmig
bei der Temperatur von 77°K frei
wird, und zum anderen in einem Teil, der bei der Erwärmung der
Gasphase von 77°K
bis zur Abgastemperatur Wärme
aufnimmt. Die beiden Teile, Verdampfungsenthalpie und spezifische
Wärme,
sind in der Regel annährend
gleich groß.
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Beim
Einsatz von verflüssigtem
tiefkaltem Stickstoff als Kältemittel
werden von den Wärmetauschern
besondere Eigenschaften verlangt. Durch die großen Temperaturdifferenzen zwischen
Wärmetauschertemperatur
und -196°C
kaltem flüssigem
Stickstoff treten beim Abkühlen
des Wärmetauschers
erhebliche thermisch induzierte Spannungen im Material auf.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Wärmetauscher bereitzustellen,
der eine hohe Wärmeaustauscheffizienz,
Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit
mit einem möglichst
kompakten Aufbau vereint.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch den Gegenstand wie in dem unabhängigen Anspruch definiert. Weitere
vorteilhafte Ausbildungen und Aspekte, die jeweils einzeln oder
in geeigneter Weise beliebig miteinander kombiniert werden können, sind
in der folgenden Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
für ein
mobiles Kühlfahrzeug
mit einem Tank für
verflüssigtes
Gas umfasst mindestens eine Rohrleitung zur Aufnahme eines Stroms
eines verflüssigten
Gases und zur Verdampfung mindestens eines Teils des verflüssigten
Gases, wobei die Rohrleitung zumindest abschnittsweise eine Längsachse
aufweist und der Wärmetauscher
eine Eintrittsseite für
verflüssigtes
Gas und eine Austrittsseite für
zumindest teilweise verdampftes Gas umfasst und wobei die Austrittsseite
mit einer Abgasleitung verbunden ist, wobei die Rohrleitung in ihrem
Inneren Elemente zur Erzeugung von Strömungsturbulenzen aufweist.
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Alternativ
hierzu umfasst der erfindungsgemäße Wärmetauscher
für ein
mobiles Kühlfahrzeug mit
einem Tank für
verflüssigtes
Gas mindestens eine Rohrleitung zur Aufnahme eines Stroms eines
verflüssigten
Gases und zur Verdampfung mindestens eines Teils des verflüssigten
Gases, wobei die Rohrleitung zumindest abschnittsweise eine Längsachse aufweist
und der Wärmetauscher
eine Eintrittsseite für
verflüssigtes
Gas und eine Austrittsseite für
zumindest teilweise verdampftes Gas umfasst und wobei die Austrittsseite
mit einer Abgasleitung verbunden ist, wobei die Rohrleitung in ihrem
Inneren Elemente zur Erzeugung einer radialen Trennung von Flüssig- und
Gasphase aufweist.
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Bevorzugt
ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der die Flüssigkeit an die Außenwand
der Rohrleitung gepresst und das Gas im Inneren fließen kann, wodurch
der Wärmeübergang
außen
und die Gasströmung
innen verbessert wird.
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Der
Wärmetauscher
ist insbesondere dafür geeignet,
verflüssigte
Gase zu verdampfen und die darin enthaltene Kältemenge besonders effizient
zu verwerten. Der Wärmetauscher
weist einen besonders hohen Wirkungsgrad auf und arbeitet besonders zuverlässig.
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Als
verflüssigtes
Gas können
insbesondere Gase mit Siedetemperaturen unterhalb von – 100°C, wie z.B.
flüssiger
Stickstoff, verwendet werden. Aber auch Gase mit höheren Siedepunkten,
wie z.B. flüssiges
Kohlendioxid, können
bei entsprechender Anpassung des Wärmetauschers eingesetzt werden.
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Das
Gas ist insbesondere kryogen verflüssigt und liegt bei einem Druck
von etwa 1 bar bis 20 bar absolut, vorzugsweise zwischen 1,5 bar
bis 3,5 bar, im Tank vor. Der Tank ist thermisch beispielsweise
durch eine Vakuumisolierung oder durch eine Schaumummantelung isoliert.
Der Tank steht in einer fluidleitenden Verbindung mit dem Wärmetauscher. Die
Leitung für
verflüssigtes
Gas vom Tank zum Verdampfer ist vorteilhafterweise thermisch superisoliert.
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Im
Wärmetauscher
wird das verflüssigte
Gas zumindest teilweise verdampft und die in dem verflüssigten
Gas enthaltene Kältemenge
wird an eine Kühlkammer
in dem mobilen Kühlfahrzeug
abgegeben. Es handelt sich um ein Kühlsystem, welches offen ist
und nicht einen geschlossenen Kreislauf aufweist. Ein Kompressor
zur Verdichtung des Gases ist nicht notwendig, das Kühlsystem
arbeitet kompressorfrei.
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Die
Rohrleitung kann segmentweise gradlinig, gekrümmt, mäanderförmig, wendelförmig gewickelt
oder gefaltet sein. Die Rohrleitung kann auch flach, gewellt oder
sternförmig
im Querschnitt sein. Eine flache Rohrleitung weist eine Querschnittsbreite auf,
welche sehr viel größer ist
als die Querschnittshöhe.
Unter Querschnitt wird ein Schnitt durch die Rohrleitung in einer
Ebene senkrecht zu einer Längsrichtung
bzw. zu einer Längsachse
der Rohrleitung verstanden. Die Rohrleitung besteht insbesondere aus
einem thermisch gut leitfähigen
Material, wie z.B. Aluminium oder Kupfer, wobei Kupfer bevorzugt
ist. Aufgrund der tiefen Temperatur und der einhergehenden starken
Temperaturgradienten und potentiellen zeitlichen Temperaturschwankungen
ist eine einheitliche Materialpaarung der für den Wärmetauscher verwendeten Komponenten
vorteilhaft, um thermisch induzierte Materialverspannungen und damit
einhergehende Materialermüdungen
zu reduzieren.
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In
dem Wärmetauscher
wird das verflüssigte Gas
zumindest teilweise verdampft. Der dabei abgegebene Kälteinhalt
wird über
Kälteleitungen
mittels eines Kältetransportmediums,
wie z.B. eine Kühlflüssigkeit
oder Kühlluft,
an einen gewünschten
Ort (z.B. in das Innere eines Kühlraums)
transportiert. Ein Kühlraum
eines Kühlfahrzeugs
wird dann nicht direkt von dem verflüssigten Gas sondern indirekt
gekühlt.
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Vorteilhafterweise
weist der Wärmetauscher Strömungskanäle für zu kühlende Kühlluft auf,
welche nach Abkühlung
in einen Kühlraum
des Kühlfahrzeuges
eingeblasen wird. Der Wärmetauscher
weist insbesondere einen Ventilator zur Umwälzung der Kühlluft auf. Die Kühlluft wird
vorteilhafterweise gegen die Rohrleitung geblasen, um einen besonders intensiven
Wärmekontakt
zwischen der Kühlluft
und der Rohrleitung und damit zwischen Kühlluft und dem verflüssigten
Gas zu bewirken.
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Um
den Kälteübertrag
zu verbessern, ist es vorgesehen, dass die Rohrleitung in ihrem
Inneren Elemente zur Erzeugung von Strömungsturbulenzen oder zur radialen
Trennung verflüssigtes
und verdampftes Gas aufweist. Mit Hilfe der Elemente werden Wirbel
und Turbulenzen in dem verflüssigten Gas
beim Durchströmen
der Rohrleitung erzielt. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe dieser
Elemente die Dicke einer Gasgrenzschicht an der Rohrwand, insbesondere
die Dicke einer Gasschicht zwischen dem verflüssigten Gas und der Rohrwand
der Rohrleitung, erheblich reduziert werden kann und der Kältekontakt,
d.h. die Kälteleistung,
erheblich verbessert werden. kann.
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Die
Elemente können
durch Einbauten in der Rohrleitung, insbesondere durch entlang zur
Längsachse
sich erstreckende Profilstäbe
oder Profilleisten gebildet sein. Die Einbauten können auch
Vorsprünge,
Auswölbungen
oder andere Zwischen- oder Unterteilungswände, die in das Innere der
Rohrleitung hineinragen und den Innenquerschnitt der Rohrleitung
unter- bzw. abteilen, gebildet sein.
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Die
Profilstäbe
oder Profilleisten können sternförmig, insbesondere
mindestens zweistrahlig, vorzugsweise mindestens dreistrahlig, beispielsweise
mindestens fünfstrahlig,
ausgebildet sein. Hierdurch wird eine Aufteilung des Inneren der
Rohrleitung in mindestens zwei, mindestens drei bzw. mindestens
fünf Gasführungskanäle bewirkt.
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Der
Kälteübergang
kann auch durch den Kontakt des verflüssigten Gases mit den Einbauten und
einem anschließenden
Kälteübergang
zwischen den Einbauten und der Rohrwand der Rohrleitung verbessert
werden. Hierfür
ist es vorteilhaft, wenn die Einbauten thermisch gut leitend mit
der Rohrwand verbunden sind. Beispielsweise können die Einbauten mit der
Rohrwand verlötet
oder verschweißt
werden. Alternativ oder zusätzlich
ist es möglich,
einen Werkstoff zu verwenden, dessen Wärmeausdehnung bei niedrigen
Temperaturen geringer ist als die des umgebenden Rohres, sodass
sich dieses auf dem Einbau aufschrumpft.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Einbauten entlang der Längsachse
verdrillt erstrecken. Beispielsweise wird ein Profilstab mindestens 2,
insbesondere mindestens 4, höchstens
100, insbesondere höchstens
20, mal pro Meter verdreht. Durch die Verdrillung der Rohrleitung
wird eine Zentrifugalbeschleunigung des verflüssigten Gases erzeugt, während dieses
durch die Rohrleitung strömt, wodurch
die Dicke der zwischen dem verflüssigten Gas
und der Rohrwand durch Verdampfung entstehenden gasförmigen Schicht
erheblich reduziert wird.
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Vorteilhafterweise
erstrecken sich die Einbauten entlang der Längsachse wellenförmig. Hierbei
sind Wellenlängen
der Wellungen von 0,5 mm bis 200 mm, insbesondere von 1 mm bis 10
mm, vorteilhaft. Die Wellungen bewirken Strömungsturbulenzen, wenn das
verflüssigte
Gas durch die Rohrleitung strömt.
Durch die Elemente zur Erzeugung von Strömungsturbulenzen oder zur radialen
Trennung von verflüssigtem
und verdampftem Gas wird der Anteil des verdampften Gases im Vergleich
zu dem Anteil des unverdampft gebliebenen Gases erheblich erhöht.
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Die
Elemente tragen darüberhinaus
auch dazu bei, dass die Grenzschichtdicken in Bezug auf das bereits
verdampfte Gas reduziert werden, wodurch auch die Abgabe der in
Form der tiefen Temperatur des gasförmigen Gases gespeicherten
Kälte verbessert
wird.
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Vorteilhafterweise
weist die Rohrleitung eine Rohrwand auf und die Rohrwand ist insbesondere entlang
der Längsachse
profiliert, insbesondere gewellt oder verdrillt. Durch eine derartige
Profilierung der Rohrwand, werden ebenso Strömungsturbulenzen im Inneren
der Rohrleitung bewirkt, welche die Effizienz des Wärmetauschers
verbessern.
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Die
Verdrillung beträgt
mindestens 2, insbesondere mindestens 4 Umdrehungen pro Meter. Höchstens
sollte sie jedoch nicht mehr als 100, insbesondere nicht mehr als
50, insbesondere nicht mehr als 20, Umdrehungen pro Meter betragen,
um den freien Fluss in der Rohrleitung nicht zu behindern.
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Die
Wellenlänge
der Wellungen, d.h. die Länge
entlang der Längsrichtung
der Rohrleitung von einem Wellenberg zu einem benachbarten Wellenberg,
beträgt
mindestens 0,5 mm, insbesondere mindestens 1 mm. Höchstens
beträgt
die Wellenlänge 200
mm, insbesondere höchstens
10 mm. Durch die Verdrillung und die Wellungen wird ein intimer
Wärme-
bzw. Kältekontakt
zwischen dem verflüssigten bzw.
verdampften Gas und dem Kältetransportmedium,
wie z.B. Kühlluft,
erzeugt.
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Die
Rohrleitung weist insbesondere einen Innenrohrquerschnitt auf, der
sich entlang der Rohrleitung ändert.
Beispielsweise ist die Fläche
der Projektion eines ersten Innenrohrquerschnitt an einer ersten
Rohrleitungsstelle auf einen zweiten Innenrohrquerschnitts an einer
zweiten Rohrleitungsstelle kleiner als 90%, insbesondere kleiner
als 70%, vorzugsweise kleiner als 50%, der Fläche des Innenrohrquerschnitts.
Hierbei sind die beiden Rohrleitungsstellen insbesondere 100 mm
von einander beabstandet.
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Durch
die Änderung
des Innenrohrquerschnitts werden Turbulenzen bei der Strömung der Rohrleitung
erzeugt. Hierbei kann der Innenrohrquerschnitt entlang einer Längsrichtung
der Rohrleitung im Wesentlichen konstant bleiben. Durch die Änderung
der Querschnittsflächeform
entlang der Längsrichtung
der Rohrleitung werden Turbulenzen erzeugt. Beispielsweise ist der
Innenrohrquerschnitt oval oder rechteckförmig und entlang der Längsrichtung
schraubenlinienartig verdrillt. Auch kann die Rohrwand eine Vielzahl
von Einprägungen
oder Dellen aufweist, die eine entsprechende Beeinflussung des Strömungsverhaltens
in der Rohrleitung bewirken. Die Strömung in der Rohrleitung kann
eine Reynolds-Zahl von mindestens 1000, insbesondere mindestens
2000, wie z.B. 5000 aufweisen.
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Durch
einen kleinen Anteil der Fläche
der aufeinander projizierten Innenrohrquerschnitte an den beiden
Rohrleitungsstellen an der Gesamtfläche des Innenrohrquerschnittes
wird eine Umlenkung des verflüssigten
Gases in der Rohrleitung während der
Durchströmung
der Rohrleitung bewirkt, welches den Wärmekontakt zwischen dem verflüssigten
Gas bzw. dem verdampften Gas und der Rohrwand der Rohrleitung verbessert.
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Vorteilhafterweise
weist die Rohrleitung an ihrer Außenseite insbesondere aufgewalzte
Lamellen auf. Mit Hilfe der Lamellen kann die von der Rohrwand aufgenommene
Kälte gut
an das Kältetransportmedium,
wie z.B. an die zu kühlende
Kühlluft
abgegeben werden. Mit Hilfe der Lamellen wird die Oberfläche der
Rohrleitung an ihrer Außenseite
erheblich vergrößert. Die
Lamellen können
schraubenförmig
umlaufend und/oder wellenförmig
sein. Durch eine wellenförmige
Strukturierung der Lamellen werden neben einer größeren Oberfläche pro
Volumeneinheit zusätzlich
Turbulenzen erzeugt, die eine Kälteabgabe
an das Kältetransportmedium
verbessern.
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Die
Rohrleitung und die Elemente sind vorteilhafterweise aus einem homogenen
Material, insbesondere aus Kupfer, gefertigt und/oder insbesondere
verschweißt
oder verlötet.
Bei einer Verschweißung
oder Verlötung
wird ein inniger thermischer Kontakt zwischen den Elementen und
der Rohrleitung bewirkt, welche eine Kälteleitung von den Elementen
auf die Rohrleitung verbessert und somit insgesamt die Effizienz
des Wärmetauschers
steigert. Ebenso können
die Lamellen an der Außenseite
der Rohrleitung mit dieser verschweißt oder verlötet sein.
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Die
Elemente teilen insbesondere einen Querschnitt der Rohrleitung in
mindestens 2, insbesondere mindestens 3, vorzugsweise mindestens
5, Innenrohrteilquerschnitte. Hierdurch werden entsprechend viele
Fluidkanäle
in der Rohrleitung geschaffen, wodurch das Verhältnis der gesamten Rohrwandoberfläche pro
Rohrleitungsvolumen vergrößert wird.
Hierdurch wird die Effizienz des Wärmetauschers gesteigert.
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Es
ist von Vorteil, wenn sich die Innenrohrteilquerschnitte radial
nach außen
hin verbreitern. Durch eine Verbreiterung von innen radial nach
außen
hin kann eine durch eine Verdrillung der Rohrleitung bzw. der Profilstäbe bewirkte
Zentrifugalbeschleunigung ausgenutzt werden. Hierdurch wird die Grenzschichtdicke
zwischen der Rohrwand und dem verflüssigten Gas bzw. dem verdampften
Gas verringert.
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In
einer speziellen Ausgestaltung ist ein Phasentrenner zum Abtrennen
von verflüssigtem Gas
vom verdampften Gas vorgesehen, der mit der Austrittsseite des Wärmetauschers
strömungsverbunden
ist. Mit Hilfe des Phasentrenners kann der nach Durchlauf durch
den Wärmetauscher
unverdampft gebliebene, flüssige
Anteil des verflüssigten Gases
abgeschöpft
werden und wieder dem Wärmetauscher
zugeführt
werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der in dem verflüssigten
Gas enthaltenen Kälte
gesteigert. Der Phasentrenner kann als Druckbehälter ausgebildet sein. Die
Eintrittsseite für
das verflüssigte
Gas kann insbesondere oberhalb der Austrittsseite für das zumindest
teilweise verdampfte Gas angeordnet sein. Hierdurch werden vorteilhafte Strömungseigenschaften
für das
verflüssigte
Gas sowie für
das Kältetransportrnedium
erzielt.
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Der
Wärmetauscher
kann eine wendelförmig um
die Rohrleitung gewickelte Widerstandsheizung aufweisen. Mit Hilfe
der Widerstandsheizung kann eine Vereisung des Wärmetauschers beseitigt werden.
Die Widerstandsheizung kann durch einen mit einer Isolationsschicht
ummantelten, stromdurchflossenen Draht gebildet sein, welcher um
die Rohrleitung gewickelt ist.
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Unterhalb
der Rohrleitung kann eine Auffangwanne vorgesehen sein. Insbesondere
wenn am Wärmetauscher
gebildetes Eis aufgetaut wird, fängt die
Auffangwanne das aufgetaute Wasser auf und führt es aus dem Wärmetauscher
heraus. Um ein Auftauen von Eis zu beschleunigen kann an der Auffangwanne
ein weiteres Heizelement vorgesehen sein.
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Der
Wärmetauscher
kann ein insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff hergestelltes
Wärmetauschergehäuse aufweisen,
welches die Luftführung
innerhalb des Wärmetauschers
vorgibt. Hierdurch sind ein besonders kompakter Aufbau und eine preiswerte
Herstellung des Wärmetauschers
möglich.
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Vorteilhafterweise
weist der Wärmetauscher eine
Ausgangsöffnung
auf, welche Fangkanten zum Auffangen von Wassertropfen aufweist.
Mit Hilfe der Fangkanten, welche durch einen Labyrinthgang, Fangschürzen oder
andere Rückhalteplatten
gebildet sein können,
wird verhindert, dass Tauwasser aus dem Wärmetauscher mit der gekühlten Kühlluft fort getragen
wird. Hierdurch wird verhindert, dass die Strömungskanäle für die Kühlluft vereisen.
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Vorteilhafterweise
sind mindestens ein Drucksensor am Wärmetauscher und ein Mittel
zur Überprüfung der
Gasdichtheit des Kühlsystems
insbesondere des Wärmetauschers
vorgesehen. Mit Hilfe des Mittels kann festgestellt werden, ob in
dem Leitungssystem Leckagen in Bezug auf das verflüssigte Gas
vorhanden sind. Hierfür
wird ein Abschnitt der Rohrleitung verschlossen und mit einem Überdruck
versehen und die Stabilität
des Überdruckes beobachtet.
Es kann zweckmäßig sein,
neben den Drucksensoren auch Temperatursensoren vorzusehen. Mit
einer Temperaturmessung kann sichergestellt werden, dass sich in
dem zu über prüfenden Teil des
Leitungssystems kein flüssiges
Gas mehr befindet, welches durch Verdampfen die Druckmessung verfälschen könnte.
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Vorteilhafterweise
ist ein Temperatursensor am Wärmetauscher
vorgesehen und mit dem Mittel zur Überprüfung der Gasdichtheit elektrisch
verbunden.
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Weitere
vorteilhafte Aspekte und Weiterbildungen, welche jeweils einzeln
angewandt oder in geeigneter Weise beliebig miteinander kombiniert werden
können,
werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die Erfindung nicht
einschränken, sondern
lediglich exemplarisch illustrieren soll, erläutert.
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Es
zeigen schematisch:
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1 ein
erfindungsgemäßes Kühlfahrzeug in
einer Seitenansicht;
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2 einen
Verdampfer eines erfindungsgemäßen Kühlfahrzeuges
in einer diagrammatischen Schnittansicht;
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3 einen
Verdampfer für
das Kühlfahrzeug
nach 1 in einer- dreidimensionalen Perspektivansicht;
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4 eine
Seitenansicht des Verdampfers nach 3;
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5 eine
Draufsicht des Verdampfers nach den 3 und 4;
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6 eine
Rohrleitung des Verdampfers nach 3 in einer
Draufsicht;
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7 eine
Schnittansicht einer perspektivischen Darstellung der Rohrleitung
nach 6;
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8 einen
Querschnitt der Rohrleitung nach 6 und 7;
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9 eine
weitere Rohrleitung für
einen Verdampfer eines erfindungsgemäßen Kühlfahrzeuges in einer Seitenansicht;
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10 ein
Gehäuse
für einen
Wärmetauscher
in einer perspektivischen Schrägansicht;
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11 ein
Kühlmodul
wie es zum Beispiel bei einem Kühlfahrzeug
nach 1 eingesetzt werden kann in einer perspektivischen
dreidimensionalen Schrägansicht
in geöffneter
Form; und
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12 ein
erfindungsgemäßes Druckaufbausystem
bzw. ein erfindungsgemäßes Leckprüfsystem.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Kühlfahrzeug 2 in
einer Seitenansicht mit einem Kühlmodul 10,
welches in einem oberen Bereich an einer Stirnseite 50 des
Kühlfahrzeuges 2 montiert
ist. Das Kühlmodul 10 umfasst
einen Verdampfer 1 bzw. Wärmetauscher 30 (siehe 2),
welche von einem thermisch isolierten Tank 5 mit verflüssigtem
Gas versorgt wird. Der Tank 5 weist eine Ummantelung zur thermischen
Isolation auf, bevorzugt eine Vakuumummantelung oder auch eine Schaumummantelung
und steht in fluidleitender Verbindung mit dem Kühlmodul 10. Der Tank
ist in einem unteren Bereich 12 des Kühlfahrzeuges 2 befestigt.
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2 zeigt
einen außerhalb
eines Kühlraumes 4, 9 angeordneten
Verdampfer 1, welcher einen Teil eines Wärmetauscher 30 bildet,
um die bei der Verdampfung von verflüssigtem Gas entstehende Kälte an eine
aus den Kühlkammern 4, 9 an gesaugte zu
kühlende
Kühlluft 39 abzugeben.
Mit der gekühlten
Kühlluft 27 werden
die in den Kühlräumen 4, 9 aufbewahrten
Waren (nicht dargestellt) gekühlt.
Der Verdampfer 1 ist mit einer Leitung 42 für verflüssigtes Gas
mit dem Tank 5 fluidleitend verbunden. Das im Verdampfer 1 verdampfe
und erwärmte
Abgas wird über
eine Abgasleitung 6 an die Umgebung abgegeben. Der Tank 5 ist
unterhalb des Verdampfers 1 angeordnet. Der Tank 5 speichert
verflüssigten
Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 80 Kelvin bei einem leichten Überdruck.
Der Überdruck
im Tank 5 wird dazu verwendet, um verflüssigtes Gas aus dem Tank 5 in
den Verdampfer 1 zu heben. Bei einer starken Gasentnahme
aus dem Tank 5 bzw. um nach der Befüllung des Tankes 5 mit
verflüssigtem
Gas einen Druckaufbau im Tank 5 zu bewirkten, ist ein Druckaufbaumittel 13,
bevorzugt eine Tankheizung im Tank vorgesehen, mit welchem das verflüssigte Gas
lokal erwärmt
und verdampft werden kann. Das Regelventil für das Druckaufbaumittel 13 ist
elektrisch leitend über
eine Leitung 43 mit einer Drucksteuerung 38 am Kühlmodul 10 verbunden.
Mit Hilfe der Drucksteuerung 38 wird der Druck in dem Tank 5 geregelt.
Der Kühlraum 4 ist
für Gefriergut
ausgelegt und weist eine Temperatur zwischen -25 und -18°C auf. Es
ist beispielsweise auch möglich,
dass deutlich tiefere Temperaturen (-60°C) vorliegen können. Der
Kühlraum 9 ist
für Frischware
ausgelegt und weist eine Temperatur zwischen +4 und +12°C auf. Die
Kühlluft wird
zwischen den Kühlräumen 4, 9 und
dem außerhalb
der Kühlräume 4, 9 angeordneten
Wärmetauscher 30 mit
einem Ventilator 8 gefördert,
wofür die Kühlräume 4, 9 mit
dem Wärmetauscher 30 über Strömungskanäle 7 fluidleitend
verbunden sind. Die Kühlräume 4, 9 sind
von einem Kühlraumgehäuse 3 umgeben.
Das Kühlraumgehäuse 3 bildet
eine thermische Isolierung. Das Kühlmodul 10 ist außerhalb des
hier quaderförmigen
Kühlraumgehäuses 3 angeordnet.
Auch das Kühlmodul 10 ist
thermisch isoliert.
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Das
Kühlmodul 10 weist
einen Phasentrenner 24 auf, durch welchen ein im Verdampfer 1 nicht verdampfter
Anteil des verflüssigten
Gases von dem verdampften Gasanteil getrennt werden kann. Der abgetrennte,
nicht verdampfte, flüssige
Anteil wird dem Verdampfer 1 wieder zugeführt. Der
Wärmetauscher 30 bzw.
der Verdampfer 1 weist eine Widerstandsheizung 28 auf,
mit welcher am Verdampfer 1 bzw. im Wärmetauscher 30 gebildetes
Eis aufgetaut werden kann. Das Auftauen des Eises kann alternativ oder
zusätzlich
zum Betrieb Widerstandsheizung 28 auch durch Umwälzung der
Luft aus dem Kühlraum 4 erfolgen.
Diese wird dabei mit der spezifischen Wärme von Eis und Wärmetauscher 30 sowie
der Schmelzenthalpie gekühlt.
Die Umwälzung
führt also nicht
zu einem Wärmeeintrag
in die Kühlräume 4, 9. Dies
gilt auch für
einen Kühlraum,
welcher unter Null Grad Celsius betrieben wird, wenn die Luft aus
einem Kühlraum,
welcher über
dem Gefrierpunkt von Wasser betrieben wird, kommt und in diese zurückgeführt wird.
Dies ist möglich,
da die Strömungskanäle 7 während des
Auftauens verschlossen werden können,
so dass der Kühlraum 4, 9 und
der zugehörige Wärmetauscher 30 thermisch
entkoppelt sind. Hierdurch wird ein besonders energiesparendes Enteisen
des Verdampfers 1 bzw. Wärmetauschers 30 ermöglicht.
Das Kühlmodul 10 bzw.
der Verdampfer 1 oder der Wärmetauscher 30 weist
weiterhin ein Mittel 20 zur Überprüfung der Gasdichtheit des Kühlsystems
insbesondere des Wärmetauschers 30 bzw. des
Verdampfers 1 auf. Hierfür sind an verschiedenen Stellen
im Verdampfer bzw. im Wärmetauscher 30 Drucksensoren 35 und
Temperatursensoren 37 vorgegeben, mit welchen der zeitliche
Verlauf des Drucks und der Temperatur im Wärmetauscher 30 bzw.
Verdampfer 1 ermittelt wird. Insbesondere ist es hiermit
möglich,
festzustellen, ob ein Überdruck
in einem abgeschlossenen Leitungsabschnitt im Verdampfer 1 bzw.
Wärmetauscher 30 stabil
bleibt oder aufgrund einer Leckage mit der Zeit abnimmt. Mit Hilfe
der Temperatursensoren, kann festgestellt werden, ob sich eine flüssige Phase
im Wärmetauscher 30 bzw.
im Verdampfer 1 befindet. Die Kontrolle der Gasdichtheit
kann beispielsweise über
Nacht, wenn das Kühlfahrzeug 2 steht,
durchgeführt
werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine hohe Genauigkeit
der entsprechenden Messung erreicht.
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3 zeigt
den Verdampfer 1 in einer perspektivischen Schrägansicht
mit Rohrleitungen 14, in welchen das verflüssigte Gas
verdampft wird und welche an ihrer Außenseite von der zu kühlenden Kühlluft 39 umströmt werden.
Die Rohrleitungen 14 weisen zumindest segmentweise eine
Längsachse 19 auf.
Am Verdampfer 1 sind Phasentrenner 24 vorgesehen,
durch welche ein durch die Rohrleitungen 14 durchlaufender
nicht verdampfter Anteil des verflüssigten Gases von dem verdampften
Gas abgetrennt und wieder den Rohrleitungen 14 zugeführt werden
kann. Eine Eintrittsseite 26 der Rohrleitungen 14 ist
geodätisch
tiefer als eine Austrittsseite 25 der Rohrleitungen 14 angeordnet.
Eine Zuleitung 40 des Phasentrenners 24 ist unterhalb
einer Ableitung 36 des Phasentrenners 24 angeordnet.
Unterhalb des Verdampfers 1 ist eine Auffangwanne 31 (siehe 10)
zum Auffangen von Tauwasser während
eines Enteisungsvorganges vorgesehen. Die Rohrleitungen 14 können gefaltet,
spiralartig gewickelt und mäanderförmig gewunden
sein, um einen besonders kompakten Aufbau des Wärmetauschers 30 bzw. Verdampfers 1 zu
gewährleisten.
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4 zeigt
den Wärmetauscher 30 nach 3 in
einer Seitenansicht. 5 zeigt den Wärmetauscher 30 in
einer Draufsicht.
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6 zeigt
eine Detailansicht der Rohrleitung 14 in einer Draufsicht.
Die Rohrleitung 14 erstreckt sich entlang der Längsachse 19.
Die Rohrleitung 14 weist an ihrem Umfang Lamellen 17 auf,
welche in einem besonderen Verfahren direkt aus dem Rohrkörper gedrückt werden – also faktisch
ein Werkstück
mit der Rohrleitung 14 darstellen. Die Lamellen 17 können mit
einer Rohrwand 23 der Rohrleitung 14. verschweißt sein.
Die Rohrleitung 14 und die Lamellen 17 sind insbesondere
aus Kupfer gefertigt. Mit Hilfe der Lamellen 17 wird ein
besonders effizienter Wärmeübertrag
von der bei der Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten
Gases anfallenden Kälte
an die zu kühlende
Kühlluft 39 bewirkt.
Die Lamel len 17 sind gewellt, um die Oberfläche pro
Volumeneinheit zu erhöhen
und um Turbulenzen in der zu kühlenden
Kühlluft 39 zu
bewirken, wodurch die Kälteabgabe
bzw. der Kälteübertrag
vergrößert wird.
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7 zeigt
die Rohrleitung 14 nach 6 in einer
Schnittansicht in einer dreidimensionalen perspektivischen Ansicht.
Die Rohrleitung 14 weist eine Rohrwand 23 auf,
um welche die gewellten Lamellen 17 angeordnet sind und
an welcher die Lamellen 17 befestigt sind. Die Lamellen 17 können mit
der Rohrwand 23 verlötet
sein. Um eine Enteisung der Lamellen 17 zu vereinfachen,
ist zwischen den Lamellen 17 eine Widerstandsheizung 28 vorgesehen.
Die Widerstandsheizung 28 wird durch eine Mehrzahl von
elektrisch isolierten Drähten
gebildet, welche sich durch Einwirkung eines elektrischen Stromes
erwärmen.
In das Innere der Rohrleitung 14 sind Elemente 18 zur Erzeugung
von Strömungsturbulenzen
oder zur radialen Trennung von verflüssigtem und verdampftem Gas
eingebracht. Die Elemente 18 sind als Einbauten 21 vorgesehen
und können
als sternförmiger
Profilstab 22 in die Rohrleitung 14 eingeschoben
sein. Die Einbauten können
insbesondere mit der Rohrwand 23 verlötet oder verschweißt sein.
Die Profilstäbe 22 in
den Rohrleitungen 14 sind verdrillt entlang der Längsachse 19.
Hierdurch wird die Dicke einer zwischen der Rohrwand 23 und
einem Flüssigkeitstropfen
des verflüssigten
Gases gebildeten Dampfschicht reduziert. Durch die Verdrillung wird
das verflüssigte Gas
an die Innenseite der Rohrwand 23 gedrückt, wenn es durch die Rohrleitung 14 strömt. Außerdem weisen
die Elemente 18 Verwirbelungsstrukturen 41 auf,
welche einer Verwirbelung des verflüssigten Gases in der Rohrleitung 14 unterstützen. Die
Wirbel in der Rohrleitung 14 führen zu einer Verringerung
der Dicke der Dampfschicht zwischen dem verflüssigten Gas und der Rohrwand 23,
wodurch die Effizienz des Kälteübertrags
von dem verflüssigten
und sich erwärmenden
Gas an die zu kühlende
Luft 39 gesteigert wird. Die Einbauten können aus
einem anderen Material als die Rohrwand 23 sein, beispielsweise
können
die Einbauten aus Kunststoff sein. Es ist von Vorteil, wenn die
Ein bauten 21 aus einem thermisch gut leitenden Material
gefertigt sind und thermisch gut leitend mit der Rohrwand 23 verbunden
sind. Ein Wärmeübergangswiderstand
zwischen den Einbauten 21 und der Rohrwand 23 kann
beispielsweise durch Verlöten
oder Verschweißen
verringert werden. Ein möglichst
geringer thermischer Übergangswiderstand
ist vorteilhaft vor dem Hintergrund, die in dem verflüssigten
Gas enthaltene Kälte
möglichst
effizient an die Lamellen 17 weiter zu leiten.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch die Rohrleitung 14 nach 6 und 7 in
einer Schnittansicht senkrecht zur Längsachse 19. Die Elemente 18 sind
als verdrillte sternförmige
Einbauten 21 vorgesehen, welche in Form von Profilstäben 22 in
das Innere der Rohrleitung 14 eingeschoben werden. Die Querschnitte
der Profilstäbe 22 sind
als Stern mit 5 Strahlarmen ausgebildet, welche mit der
Rohrwand 23 verlötet
sind. Die einzelnen Strahlarme weisen Verwirbelungsstrukturen 41 auf,
welche durch Wellungen bzw. Oberflächenrauhigkeiten der Profilstäbe ausgebildet
sind. Sowohl durch die Einbauten als solche als auch durch die Verwirbelungsstrukturen 41 an
den Einbauten 21 wird die Turbulenz in der Rohrleitung 14 vergrößert, wodurch
ein Kältetransfer
von dem verflüssigten
Gas auf die Lamellen 17 und damit auf die zu kühlende Kühlluft 39 verbessert
wird.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Rohrleitung 14, wobei der besseren Übersichtlichkeit
halber keine Lamellen 17 gezeigt sind. Bei dieser Ausführungsform
handelt es sich um ein verdrilltes Flachrohr, wobei die Rohrleitung 14 einen
Innenrohrquerschnitt aufweist, der sich entlang der Rohrleitung 14 ändert. Die
Innenquerschnittsfläche der
Rohrleitung 14 ist bevorzugt rund, elliptisch oder stark
elliptisch und entlang der Rohrleitung 14 verdrallt. Insbesondere
die Fläche
der Projektion eines ersten Innenrohrquerschnittes an einer ersten
Rohrleitungsstelle 15 auf einen zweiten Innenrohrquerschnitt
an einer zweiten Rohrleitungsstelle 16 ist kleiner als
30% der Fläche
des Innenrohrquerschnittes. Hierbei sind die beiden Rohrleitungsstellen 15, 16 entlang
der Längsachse 19 um
100 mm ver setzt. Durch die Verdrallung des Flachrohres wird beim Durchströmen der
Rohrleitung 14 eine zentrifugale Separation von Flüssigkeit
(außen)
und Gas (innen) erzeugt, welches den thermischen Kontakt zwischen dem
verflüssigten
Gas und der Rohrwandung 23 intensiviert.
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Während zur
Erzeugung von Turbulenzen in der Rohrleitung 14 bei der
Ausführungsform
gemäß 7 Einbauten 21 im
Inneren Rohrleitungen 14 vorgesehen sind, ist bei der Ausführungsform
gemäß 9 die
Rohrleitung als solche profiliert, insbesondere verdrillt oder gewellt,
um eine Turbulenz während
der Durchströmung
zu bewirken.
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10 zeigt
ein Wärmetauschergehäuse 29 für den Wärmetauscher 30,
dass als Auffangwanne 31 für den Inneneinbau des Wärmetauschers 30 konzipiert
ist, um das bei der Enteisung abtropfende Tauwasser aufzufangen
und über
einen Abflusskanal (nicht dargestellt) abzuführen. Die Auffangwanne 31 kann
zusätzliche
Heizelemente 32 aufweisen, mit denen Eis aufgetaut werden
kann. Das Wärmetauschergehäuse 29 weist
Strömungskanäle 7 für die zu kühlende 39 bzw.
gekühlte 27 Kühlluft auf.
Hierbei weist das Wärmetauschergehäuse 29 Ausblasöffnungen 33 auf,
welche Kanten 34 umfassen, durch welche das während des
Auftauens gebildete flüssige
Wasser aufgefangen werden kann, damit es nicht durch das Gebläse in den
Kühlraum 4, 9 eingeblasen wird.
Hierdurch wird besonders effektiv eine Vereisung der Strömungskanäle 7 durch
Auftauwasser verhindert. Die Auffangkanten können beispielsweise durch Schürzen, Labyrinthstrukturen
oder Prallplatten gebildet sein.
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11 zeigt
das Kühlmodul 10,
wie es zum Beispiel bei einem Kühlfahrzeug
nach 1 eingesetzt werden kann, in einer perspektivischen
dreidimensionalen Schrägansicht
in geöffneter
Form. Durch die modulare Ausgestaltung der Ventilatoren 8,
der Phasentrenner 24 und der Rohrleitungen 14 wird
ein besonders kom pakter Aufbau realisiert.
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12 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Kühlsystem
mit einer Drucksteuerung 38 zum Fördern von verflüssigtem
Gas aus dem Tank 5 in den Verdampfer 1 ohne Verwendung
einer motorischen Pumpe. Das Kühlsystem
weist ein Mittel 20 zur Überprüfung der Gasdichtheit des Kühlsystems 45, des
Wärmetauschers 30 oder
des Verdampfers 1 auf. Der Verdampfer 1 ist über die
Leitung 42 für
verflüssigtes
Gas mit dem Tank 5 strömungsverbunden. Verflüssigtes
Gas wird entlang einer Strömungsrichtung 54 des
verflüssigten
Gases durch einen im Tank 5 sich einstellenden Drucks in
die Leitung 42 gedrückt.
Um den Druck im Tank 5 zu steigern, wird die Leitung 42 mit
Hilfe eines Ventils 49 abgesperrt, wobei ein Anteil von
verflüssigtem
Gas in der Leitung 42 stromaufwärts vom Ventil 49,
d.h. zwischen dem Ventil 49 und dem Tank 5, durch
Erwärmung
der Leitung 42 verdampft. Das Ventil 49 wird auch
als Zulaufventil bezeichnet. Die Leitung 42 kann eine thermische
Isolierung, wie z.B. eine doppelwandige Vakuumisolierung (Superisolierung)
oder eine Schaumummantelung aufweisen. In der Regel ist der Wärmeeintrag trotz
dieser thermischen Isolierung groß genug, um einen hinreichend
großen
Anteil an verflüssigtem Gas
in der Leitung 42 stromaufwärts von dem Ventil 49 zu
verdampfen und den Druck im Tank 5 aufzubauen. In speziellen
Fällen
kann es zweckmäßig sein,
an der Leitung 42 stromaufwärts von dem Ventil 49 eine
Wärmebrücke 51 vorzusehen,
welche für
den erforderlichen Wärmeeintrag
sorgt. Die Wärmebrücke 51 kann
durch eine Verschlechterung der Isolation an der Leitung 42 gebildet
sein, wobei insbesondere die Wärmebrücke an einem
Abschnitt der Leitung 42 vorgesehen ist und vorteilhafterweise
hinsichtlich einer Wärmeübergangszahl
variabel ausgestaltet ist. Das Ventil 49 wird stoßweise geöffnet, wodurch
verflüssigtes
Gas entlang der Strömungsrichtung 44 in
die Leitung 42 gedrückt
und in den Wärmetauscher 30 gefördert wird.
Durch das stoßweise
Betreiben des Ventils 49 in der Leitung 42 tritt
kein stationärer
Zustand ein, so dass die Temperatur in der Leitung 42 stromauf wärts von
dem Ventil 49 seitlich entsprechend des Schließzustandes
des Ventils 49 und der Gasentnahme aus dem Tank 5 schwankt.
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Um
für einen
hinreichenden Druckausbau im Tank 5 zu sorgen, beträgt das Innenvolumen
der Leitung 42 stromaufwärts von dem Ventil 49 bis
zur Mündung
am Tank 5 mindestens etwa 1/1000 des Innenvolumens des
Tanks 5. Der Wärmetauscher
ist innerhalb eines Kühlraumgehäuses 3 angeordnet
und gibt gekühlte
Kühlluft 27 an
den Kühlraum 4 ab.
Hierfür
wird die Luft im Kühlraum 4 mit
Hilfe eines Ventilators 8, der von einem Motor 52 betrieben
wird, umgewälzt.
In dem Kühlraum 4 ist
ein erster Temperatursensor 37 an einer ersten Stelle 46 vorgesehen,
um Temperaturschwankungen festzustellen. Sinkt die Temperatur in
dem Kühlraum 4 schlagartig
mit einer Geschwindigkeit von mehr als 5°C pro Minute, wird ein erstes
Warnsignal ausgegeben, welches dem Betreiber des Kühlfahrzeuges 2 in
Kenntnis setzt, dass möglicherweise
ein Leck im Kühlsystem 45 vorliegt. In
dem Kühlraum 4 kann
ein weiterer Temperatursensor 53 an einer weiteren ersten
Stelle 46 vorgesehen sein, welcher dem gleichen Zweck dient.
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Der
Motor 52 kann elektromotorisch oder pneumatisch unter Verwendung
des verdampften Gases arbeiten. Das verflüssigte Gas wird stromabwärts des
Ventils 49 durch den Verdampfer 1 bzw. Wärmetauscher 30 bis
zu einem weiteren Ventil 55 geführt. Anschließend wird
das verdampfte Gas als Abgas 56 über die Abgasleitung 6 an
die Umgebung abgegeben. Der Leitungsabschnitt 57 der Leitung 52 zwischen
dem Ventil 49 und dem weiteren Ventil 55 kann
mit Hilfe der beiden Ventile 55, 49 abgeriegelt werden.
Insbesondere kann hier ein Überdruck
eingeschlossen werden, wenn der Leitungsabschnitt 57 gasdicht
ist. An dem Leitungsabschnitt 57 ist an einer zweiten Stelle 47 ein
Drucksensor 35 vorgesehen, welcher den zeitlichen Druckverlauf
in dem Leitungsabschnitt 57 erfasst. Sinkt ein zwischen
den Ventilen 55, 49 eingeschlossener Überdruck
unter einen vorgegebenen Wert bzw. ändert sich der Überdruck schneller
als ein vorgegebener Refe renzwert, wie z.B. schneller als 0,2 bar
pro Minute, wird ein zweites Warnsignal ausgegeben. Das erste Warnsignal
bzw. das zweite Warnsignal wird auf einem Anzeigegerät 44 (siehe 2)
dem Fahrer des Kühlfahrzeuges 2 angezeigt.
Das Ventil 49, das weitere Ventil 55, der Drucksensor 35 sowie
die Temperatursensoren 37 und 53 bilden das Mittel 20 zur Überprüfung des
Gasdichtheit des Wärmetauschers 30,
des Verdampfers 1 bzw. des Kühlsystems 45. Das
weitere Ventil 55 wird auch als Abgasventil bezeichnet.
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Vorteilhafterweise
werden mindestens zwei Wärmetauscher 30 bzw.
mindestens zwei Verdampfer 1 verwendet, welche alternierend
abtauen und kühlen.
Hierdurch wird eine höhere
Betriebszuverlässigkeit
erzielt. Auch können
hierdurch Energiekosten, die durch einen aktiven Abtauprozess bei
einer Eisbildung am Wärmetauscher 30 bzw.
am Verdampfer 1 entstehen, erheblich reduziert werden.
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Für die Materialauswahl
des Wärmetauschers
sollte eine homogene Materialpaarung verwendet werden. Wärmetauscher
aus Aluminium oder Kupfer haben sich in der Tieftemperaturtechnik
bewährt.
Aus fertigungstechnischen Gründen
wird vorzugsweise eine homogene Materialauswahl aus Kupferrohr und
Kupferlamellen gewählt,
es können jedoch
auch andere geeignete Werkstoffe zum Einsatz kommen. Vorzugsweise
werden für
diesen Einsatz Wärmetauscherrohre
als Rippenrohre verwendet, welche homogen aus Kupfer bestehen und
auf der äußeren Mantelfläche über Kupferlamellen
verfügen.
Diese können
gelötet,
geschweißt,
geklemmt oder durch andere Verfahren auf oder in die äußere Mantelfläche auf- oder eingebracht
werden. Vorzugsweise werden die Lamellen 17 durch Walzungen
aus dem Rohrmaterial herausgedrückt
und anschließend mit
einer Wellung auf der Seitenfläche
versehen. Diese Lamellenwellung wird im letzten Walzvorgang erzeugt.
Bei einer Queranströmung
des Rohres wird durch die Wellenform eine turbulente Luftströmung zwischen
den Lamellen 17 erzeugt, was sich auf der Luftseite durch
erhöhte
Wärmeübergangszahlen
positiv bemerkbar macht. Die aufge walzten Lamellen 17 laufen
vorzugsweise schraubenförmig
mit einem Lamellenabstand zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise 3 mm,
auf dem Umfang entlang. Es können
jedoch andere Lamellenabstände
zum Einsatz kommen. Die mit Lamellen 17 versehenen Rohrleitungen 14 werden
vorzugsweise in Endlamellen eingefasst. Unter einer Endlamelle ist
ein Blech zu verstehen, welches mit Bohrungen versehen ist, durch
die die Rohrstutzen der Rohrleitungen geführt werden. Um die Bohrungen
sind Schlitze so durch die Endlamellen gezogen, dass sich die Rohre
gegenüber
den Befestigungspunkten der Endlamelle jeweils einzeln bewegen können. Vorzugsweise
ragen die Rohrenden über
die Endlamellen hervor. Die Endlamellen, die vorzugsweise aus Kupfer
bestehen, und die Rohrstutzen der Rippenrohre werden fest mit den
Endlamellen, bevorzugt durch Löten
verbunden. Die aus den Endlamellen überstehenden Rohrenden der
mit Lamellen versehenden Rohrleitungen 14 werden mit Kupferrohren
oder Bögen
untereinander verbunden.
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In
der ersten Phase der Wärmeübertragung vom
flüssigem
Stickstoff auf die Rohre findet eine Phasenumwandlung von dem Aggregatzustand
flüssig
in gasförmig
in den Wärmetauscherrohren
statt. Während
dieser Aggregatszustandsüberführung findet
eine Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
Reaktion durch Film- und Blasensieden statt. Erfahrungsgemäß treten
durch das Blasensieden innerhalb von Rohren hohe Beschleunigungen
der Flüssigkeit durch
in Strömungsrichtung
vor der Flüssigkeit
gebildet Dampfblasen auf.
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Bei
bekannten Verdampfern 1 verbinden sich die in Bruchteilen
von Sekunden entstehenden kleinen Dampfblasen zu großen Dampfblasen
und treiben aufgrund der Volumenänderung
die davor befindliche Flüssigkeitssäule explosionsartig
durch das Wärmetauscherrohr.
Durch diesen Vorgang findet bei bekannten Wärmetauschern nur eine unzureichende Wärmeübertragung
vom verflüssigten
Gas an die Rohrwand 23 statt.
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Bei
dem Wärmetauscher 30 werden
Elemente innerhalb der Rohrleitung 17 installiert, die
eine möglichst
gleichmäßige Verdampfung
innerhalb der Wärmetauscherrohre
ermöglichen
und dadurch die Wärmeübergangszahlen
erhöhen.
Für diese
Optimierung werden innerhalb der Rohrleitungen 14 Strömungsprofile
oder Einbauten 21 eingesetzt, welche die Flüssigkeit
stets an die Innenfläche
der Rohrwand 23 entlangführt. Beispielsweise werden
Profilstäbe 22 verwendet,
die den Rohrquerschnitt längsseitig
in n-Abschnitte teilt. Diese Abschnitte sind als Teilkreisprofile
ausgeführt,
wobei der Winkel des Teilkreises in der Rohrmitte beginnt und sich
zur Mantelfläche
hin aufspannt. Es können
auch andere Geometrien Verwendung finden, diese sollten lediglich
ein möglichst
großes
Raumvolumen auf der Rohrmantelinnenseite ausbilden. Vorzugsweise
werden 5 strahlige Innenprofile als innen liegender Stern verwendet. Dieser
Stern wird um die Längsachse
verdreht. Wie bereits erwähnt
erfährt
der verflüssigte
Stickstoff beim Eintreten in das Wärmetauscherrohr durch sich bildende
Dampfblasen und daraus resultierende Volumenänderung eine Beschleunigung.
Durch die Verdrehung bzw. Verdrillung des n-strahligen Profilstabs 22 um
die Längsachse 19 entstehen
Strömungskanäle in der
Rohrleitung 14, die sich wendelförmig innen entlang der Mantelflächen der
Rohrwand 23 ausbilden. Eine Verdrillung des n-strahligen
Innenprofils kann beliebig um die Längsachse 19 bezogen
auf eine Länge
der Rohrleitung 14 sein. Es müssen jedoch nach der Verdrehung
noch Kanäle
im Rohr ausgebildet sein. Der Innenteil wird zweimal bis zehnmal, vorzugsweise
dreimal, pro 1 m um die Längsachse 19 verdreht.
Durch die Verdrehung des n-strahligen Profilstabs 22 wird
die beschleunigte Flüssigkeit
aufgrund von Fliehkräften
an die Innenmantelfläche
gedrückt
und entlang geführt.
Infolge des Temperaturunterschiedes zwischen der Flüssigkeit
und der Innenmantelfläche
wird der Aggregatszustand des verflüssigten Stickstoffs durch Blasensieden
verändert. Hierdurch
verbessern sich wesentlich die Wärmeübergangszahlen.
Das verflüssigte
Gas kann nach einer vergleichsweise kurzen Strecke nahezu vollständig verdampf
werden.
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Es
können
alle im Wärmetauscher
befindlichen Rohrleitungen 14 mit flüssigem Stickstoff beaufschlagt
werden. Vorzugsweise werden zwei Rohrleitungen 14 mit verflüssigtem
Stickstoff beaufschlagt. Vorzugsweise sind die mit flüssigem Stickstoff
beaufschlagten Rippenrohre des Wärmetauschers
die geodätisch
obersten Rohre. Vorzugsweise werden die auf der Luftaustrittseite
geodätisch
höchsten
zwei Rohre zur Flüssigkeitsbeaufschlagung
verwendet. Dadurch wird dem Querstrom ein Gegenstrom zwischen dem
zu kühlenden
Luftstrom und dem Stickstoffstrom überlagert.
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Vorteilhafterweise
wird den mit Flüssigkeit beaufschlagten
Rippenrohren 14 mit verdrehtem innen liegendem Stern ein
Phasentrenner 24 nachgeschaltet. Der Phasentrenner 24 sammelt
die nicht verdampften Flüssigkeitstropfen,
die nicht oder unzureichend mit der Innenmantelfläche in Kontakt
getreten sind. Vorzugsweise sind die Phasentrenner als liegender
Druckbehälter
ausgebildet. Vorzugsweise wird ein Eintrittsrohr kurz unterhalb
der geodätisch nach
oben gerichteten Mantelfläche
durch die Stirnfläche
geführt.
Die Ablaufrohre befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite des Eintrittsrohrs,
vorzugsweise wird ein Ablaufrohr geodätisch kurz oberhalb der weiter
untenliegenden Mantelfläche
durch die Stirnfläche
geführt.
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Der
Phasentrenner 24 hat die Aufgabe, die mitgerissenen Flüssigkeitsanteile
zu sammeln und durch das unten liegende Ablaufrohr der nächsten Lamellen
aufweisenden Rohrleitung (Rippenrohr) im Wärmetauscher wieder zuzuführen. Vorzugsweise werden
den zwei Rippenrohren, die sich geodätisch auf der Luftaustrittsseite
an der untersten Stelle befinden, aufgefangener, unverdampft gebliebener
flüssiger
Stickstoff wieder zugeführt.
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Die
nachgeschalteten Rippenrohre 14 mit verdrehtem innen liegendem
Profilstab 22 dienen als Anwärmer für den gasförmigen Stickstoff. Es können n-Rohre nachgeschaltet
werden, um den gasförmigen
Stickstoff bis auf die geforderte Abgastemperatur anzuwärmen. Vorzugweise
werden 6 Rohre als Anwärmer
verwendet, wobei die beiden Rücklaufrohre vom
Phasentrenner ebenfalls als Anwärmer
gezählt werden.
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Der
Wärmetauscher
kann vorzugsweise auch nur als Anwärmer betrieben werden. Dazu
sollte die Gastemperatur am Eintritt deutlich unterhalb der zu kühlenden
Raumluft liegen.
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Da
zur Abtauung aus verfahrenstechnischen Gründen kein Wärmeeintrag aus dem Inneren
der Rohrleitung 14 erfolgen kann, ist eine Widerstandheizung
vorgesehen. Diese Abtauheizung kann eine Vereisung auflösen. Insbesondere
die hierbei auftretenden Temperaturschwankungen von -196°C auf +100°C erfordern
besondere Eigenschaften der Heizung und der Rohre. Zur Abtauung
wird eine Elektroheizung mit vorzugsweise mindestens 2 bis 40, beispielsweise
9, versilberten Kupferlitzen verwendet, welche jeweils einen Durchmesser
von 0,1 mm bis 0,5 mm, wie z.B. 0,25 mm, aufweisen können. Die Kupferlitzen
sind zur elektrischen Isolation mit einem Polymer wie z.B. Polytetrafluorethylen
(PTFE) ummantelt. Die versilberten Kupferlitzen mit ummanteltem
PTFE werden zwischen die Lamellen 17 bis auf den Rippenrohrgrund
schraubenförmig
aufgewickelt, so dass zwischen jeder Lamelle 17 und dem
Lamellengrund ein Kontakt zwischen dem Heizkabel und dem Kupfer
des Rippenrohres entsteht Dadurch ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung
am gesamten Wärmetauscher
für die
Abtauung möglich.
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Um
eine gezielte Luftführung über das
Wärmetauscherpaket
zu erzielen, ist ein als Abdeckhaube vorgesehenes Wärmetauschergehäuse 29 konzipiert,
welches zum einen als Auffangwanne 31 für Kondensatwasser fungiert
und zum anderen die Luftführung
innerhalb des Wärmetauschers 30 gewährleistet.
Darüber
hinaus legt das Wärmetauschergehäuse 29 auch
gezielt die Ausblasrichtung fest. Die Ausblasrichtung wird je nach
Bedarf frontseitig oder wahlweise nach links, rechts oder gleichzeitig
nach links und rechts dadurch festgelegt, dass in die Haube des
Wärmetauschers
Sollbruchstellen so gefertigt werden, dass Teile der Haube, die
in die gewünschte Ausblasrichtung
zeigen, leicht ausgebrochen werden können. Wegen der hohen Temperaturunterschiede ist
vorzugsweise ein Wärmetauschergehäuse aus Kunststoff
wie z.B. einem Kunststoff der Materialpaarung Polystyrol/Polyethylen
gewählt.
Diese Materialpaarung zeichnet sich durch eine geringe Temperaturverformung
aus. Außerdem
kann das Material leicht geformt werden und bietet die Möglichkeit
einer internen Isolation zur Vermeidung von Kondensat an der Außenseite.
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Der
Wärmetauscher
bzw. der Verdampfer ist vorteilhafterweise mit einer Vorrichtung
zur Optimierung der Wärmeübertragung
für die
Verdampfung von verflüssigten
Gasen, insbesondere für
tiefkalten verflüssigten
Stickstoff, der als Luftkühler
dient, ausgestattet, wobei der Wärmtauscher
beziehungsweise Verdampfer aus Rippenrohren mit ausgewalzten schraubenförmig umlaufenden
wellenförmigen
Lamellen besteht. Hierbei bestehen insbesondere die Materialpaarung
des Wärmetauscherrohrs
und der Lamelle aus einem homogenen Metall. Das homogene Material
kann Kupfer sein. Innerhalb der Rippenrohre ist insbesondere ein
Strömungsprofil
eingesetzt, das den Rohrquerschnitt längsseitig in n-Abschnitte teilt,
wobei diese Abschnitte als Teilkreisprofile ausgeführt sein
können
und / oder wobei der Winkel des Teilkreises in der Rohrmitte beginnt
und sich zur Mantelfläche
aufspannen kann. Hierbei können auch
andere Geometrien Verwendung finden, welche vorteilhafterweise das
größte Raumvolumen
auf der Rohrmantelinnenseite ausbilden. Es ist vorteilhaft, mehrstrahlige,
insbesondere fünfstrahlige,
Innenprofile als innen liegendes Sternprofil zu verwenden. Besonders
bevorzugt ist, das in dem Rippenrohr innen liegende Profil um die
Längsachse
zu verdrillen, wodurch schraubenförmige Kanäle, die sich zur Rohrmitte
hin verjüngen,
im Rohr ausbildet werden. Das im Rippenrohr liegende Strömungsprofil
kann den Rohrquer schnitt mindestens einmal teilen. Vorteilhafterweise
ist das im Rippenrohr liegende Strömungsprofil, welches den Rohrquerschnitt
mindestens einmal teilt, derart schraubenförmig verdreht, dass mindestens
zwei schraubenförmige
Fluidkanäle
im Rohr ausgebildet werden. Die mit flüssigem Stickstoff beaufschlagten
Rohre sind vorteilhafterweise die auf der Luftaustrittseite geodätisch obersten
Rohre. Vorteilhafterweise sind die Rippenrohre jeweils auf beiden
Seiten in einer Kupferendlamelle eingelötet. An der Endlamelle kann
jeweils ein liegender Phasentrenner 24 als Druckbehälter ausgebildet
bzw. angeschweißt
sein. Das Eintrittsrohr in den Phasentrenner 24 kann im
oberen Bereich der Stirnfläche
-kurz unterhalb der Druckbehältermantelfläche- in
den Phasentrenner geführt
sein. Das Austrittsrohr kann aus den Phasentrenner im unteren Bereich
der Stirnfläche
-kurz oberhalb der Druckbehältermantelfläche- aus
dem Phasentrenner geführt
sein. Die Kunststoffteil des Wärmetauschers
kann aus einem thermoplastischen Kunststoff (vorzugsweise Polyethylen -PE-)
in einer Press- oder Ziehform hergestellt werden. Wegen der hohen
Temperaturunterschiede und des Isolationsbedarfs ist eine Materialpaarung
aus Polystyrol/Polyethylen vorteilhaft.
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Im
Folgenden werden verschiedene weitere Aspekte, die mit der Erfindung
in einem Zusammenhang stehen, beschrieben. Die einzelnen Aspekte können jeweils
einzeln angewandt, d.h. unabhängig voneinander,
oder beliebig miteinander kombiniert werden. Ebenso können diese
Aspekte mit den zuvor beschriebenen Aspekten kombiniert werden.
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Ein
vor dem Hintergrund der Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit
und Energieeffizienz besonders vorteilhaftes mobiles Kühlfahrzeug 2 umfasst
ein Kühlraumgehäuse 3 für mindestens
einen darin befindlichen Kühlraum 4,
einen Tank 5 für
verflüssigtes Gas,
einen Verdampfer 1 zur Verdampfung des verflüssigten
Gases unter Abgabe von Kälte
an den Kühlraum 4,
und eine Abgasleitung 6 für das verdampfte Gas, wobei
der Verdampfer 1 außerhalb
des Kühlraums 4 angeordnet
ist.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Abgabe der Kälte
des Verdampfers 1 an Kühlluft,
welche über Strömungskanäle 7 aus
dem Kühlraum 4 zum
Verdampfer 1 und vom Verdampfer 1 zum Kühlraum 4 geführt wird.
Dazu ist insbesondere ein Ventilator 8 vorgesehen, der
außerhalb
des Kühlraums 4 angeordnet
ist, wobei der Ventilator 8 und der Verdampfer 1 als
Kühlmodul 10 am
Kühlfahrzeug 2 befestigt
sein kann. Das Kühlfahrzeug 2 weist
insbesondere mindestens einen ersten Kühlraum 4 für Temperaturen unterhalb
von 0°C,
insbesondere unterhalb -10°C, und
mindestens einen zweiten Kühlraum 9 für Temperaturen
oberhalb von 0°C,
insbesondere zwischen +4 und +10°C,
auf. Der Verdampfer 1 kann in einem oberen Bereich 11,
insbesondere am Dach oder an der Stirnseite, des Kühlfahrzeugs 2 angeordnet
sein. Der Tank kann 5 in einem unteren Bereich 12 des Kühlfahrzeugs 2,
insbesondere unter dem Kühlfahrzeug 2,
angeordnet sein. Am Tank 5 ist insbesondere eine Drucksteuerung 38,
insbesondere mit einem Druckaufbaumittel 13 wie beispielsweise
einer Widerstandsheizung, vorgesehen, durch die das verflüssigte Gas
in den Verdampfer 1 gedrückt wird. Vorteilhafterweise
ist ein Mittel 20 zur Überprüfung der Gasdichtigkeit
des Kühlsystems
insbesondere des Verdampfers 1 vorgesehen. Die erforderliche
Heizenergie kann der Umwelt entnommen werden.
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Ein
vorteilhaftes Verfahren zum Kühlen
eines Kühlraums 4 eines
mobilen Kühlfahrzeugs 2,
umfasst die folgenden Verfahrenschritte: Entnehmen eines verflüssigten
Gases aus einem Tank 5 und Zuführen des Gases in einen außerhalb
des Kühlraums 4 angeordneten
Verdampfer 1; Entnehmen eines zu kühlenden Kühlluftstroms aus dem Kühlraum 4;
Verdampfen des verflüssigten
Gases in dem Verdampfer 1 und Ausnutzen zumindest eines
Teils des Kälteinhalts
zum Abkühlen
des Kühlluftstroms;
Einleiten des gekühlten
Kühlluftstroms
in den Kühlraum 4.
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Im
Hinblick auf sicherheitstechnische Fragestellungen und auch aus
Gründen
des technischen Wirkungsgrads umfasst ein vorteilhaftes erstes Verfahren
zum Über wachen
der Gasdichtheit eines Kühlsystems 45 eines
Kühlfahrzeugs 2 die
folgenden Schritte: Erfassen eines zeitlichen Temperaturverlaufs
an mindestens einer ersten Stelle 46 im Kühlsystem 45 und
Bestimmen einer Änderung
der Temperatur an der ersten Stelle 46 innerhalb eines
ersten Zeitintervalls; Vergleichen der Änderung mit einem ersten Referenzwert
und Auslösen
eines ersten Warnsignals, falls die Änderung den ersten Referenzwert überschreitet.
Im Hinblick auf sicherheitstechnische Fragestellungen und auch aus
Gründen des
technischen Wirkungsgrads umfasst ein vorteilhaftes zweites Verfahren
zum Überwachen
der Gasdichtheit eines Kühlsystems 45 eines
Kühlfahrzeugs 2 die
folgenden Schritte: Beaufschlagen eines Leitungsabschnittes 57 des
Kühlsystems 45 mit
einem Überdruck;
Absperren dieses Leitungsabschnittes 57; Erfassen eines
zeitlichen Druckverlaufs an mindestens einer zweiten Stelle 47 in
dem Leitungsabschnitt 57 und Bestimmen einer Änderung
des Drucks an der zweiten Stelle 47 innerhalb eines zweiten
Zeitintervalls; Vergleichen der Änderung
mit einem zweiten Referenzwert und Auslösen eines zweiten Warnsignals,
falls die Änderung
den zweiten Referenzwert überschreitet,
wobei insbesondere das Verfahren nach einer Zeitverzögerung erneut
durchgeführt
wird, wenn der Druck steigt. Vorteilhafterweise erfolgt ein weiteres
Warnsignal, wenn der Druck unterhalb eines vorgegebenen Mindestdrucks
liegt. Dabei ist es vorteilhaft, das erste Verfahren mit dem weiteren
Verfahren zu kombinieren, wobei insbesondere das weitere Verfahren
insbesondere durchgeführt
wird, wenn das erste Warnsignal ausgelöst ist. Vorteilhafterweise
entspricht der erste Referenzwert einem Temperaturabfall von höchstens
20°C pro
Minute, insbesondere höchstens
10°C pro
Minute, beispielsweise höchstens
5°C pro
Minute. Der zweite Referenzwert entspricht insbesondere einem Druckabfall
von höchstens
1 bar pro Minute, insbesondere höchstens
0.5 bar pro Minute, beispielsweise höchstens 0.2 bar pro Minute.
Für einen
Grobtest weist das erste und/oder zweite Zeitintervall beispielsweise eine
zeitliche Länge
zwischen 1 Sekunde und 300 Sekunden, insbesondere zwischen 50 und
180 Sekunden, beispielsweise zwischen 10 und 60 Sekunden, auf. Für einen
Feintest weist das zweite Zeitintervall beispielsweise eine zeitliche
Länge zwischen 5
Minuten und 24 Stunden, insbesondere zwischen 30 Minuten und 12
Stunden, beispielsweise zwischen 1 Stunde und 4 Stunden, auf. Die Überwachung
der Gasdichtheit kann durch das Ausschalten des Kühlfahrzeugs 2 initiiert
werden. Das erste und/oder zweite Warnsignal kann mit einem Anzeigegerät 44 optisch
und/oder akustisch signalisiert werden. Die Überwachung wird insbesondere
während einer
Abtauphase des Kühlsystems 45 initiiert und/oder
durchgeführt.
-
Alternativ
oder zusätzlich
ist es möglich,
die Gasdichtheit eines Kühlsystems 45 nach
einem Verfahren zu überwachen,
welches die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst:
- a) Schließen
eines Ventils 49 zwischen einem Tank und mindestens einem
der folgenden Elemente: einem Wärmetauscher 30 und
einem Verdampfer 1 bei zumindest zeitweise gleichzeitigem Öffnen eines
weiteren Ventils 55, über
welches eine strömungstechnische
Verbindung zu einer Abgasleitung 6 herstellbar ist und
Messen des Druckes zwischen dem Ventil 49 und dem weiteren
Ventil 55;
- b) Schließen
des weiteren Ventils 55 und Messen des Druckes zwischen
dem Ventil 49 und dem weiteren Ventil 55; und
- c) Öffnen
des Ventils 49 und Messen des Drucks zwischen dem Ventil 49 und
dem weiteren Ventil 55.
-
Bei
einem intakten Ventil 49 und intaktem weiteren Ventil 55 sollte – eine im
wesentlichen konstante Temperatur vorausgesetzt – in Schritt a) der gemessene
Druck dem Umgebungsdruck außerhalb des
Kühlsystems, üblicherweise
dem Atmosphärendruck
entsprechen. In Schritt b) sollte der gemessene Druck zeitlich konstant
sein, während
in Schritt c) ein Druckanstieg bis hin zu einem Gleichgewichtsdruck und
daran anschließend
ein im wesentlichen konstanter Druck gemessen werden. Diese Drücke können insbesondere
mit vorgebbaren Referenz werten verglichen werden, um so eine Fehlfunktion
der Ventile 49, 55 detektieren zu können.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems 45 eines
Kühlfahrzeugs 2 mit
mindestens einem Kühlraum 4, 9 umfasst mindestens
eines der beiden Verfahren zum Überprüfen der
Gasdichtheit des Kühlsystems 45,
wobei insbesondere das Kühlsystem 45 einen
Ventilator 8 aufweist und der Ventilator 8 angeschaltet
wird, wenn eine Tür 48 des
Kühlraums 4, 9 geöffnet wird.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Kühlsystem 45 für eine Kühlfahrzeug 2 umfasst
mindestens einen Tank für
verflüssigtes
Gas, mindestens einen Verdampfer 1 und ein Mittel 20 zur Überprüfung der
Gasdichtheit des Kühlsystems 45 mit
mindestens einem Temperatursensor 37 und/oder mindestens
einem Drucksensor 35 zur Durchführung mindestens eines der
beiden Verfahren zum Überprüfen der
Gasdichtheit des Kühlsystems 45,
wobei insbesondere ein Kühlraum 4, 9 mit
einer Tür 48 und
ein Ventilator 8 vorgesehen ist und der Ventilator 8 in
Betrieb genommen wird, sobald die Tür 48 geöffnet ist.
Insbesondere wird der Ventilator 8 in Betrieb genommen,
wenn eine Gasleckage detektiert und die Tür 48 des Kühlraums 4, 9 geöffnet wird.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Kühlfahrzeug 2 umfasst
das vorstehend beschriebene Kühlsystem 45.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufbauen eines Überdrucks
in einem Tank 5 für
verflüssigtes
Gas eines Kühlfahrzeugs 2 mit
einem Verdampfer 1 für
das verflüssigte
Gas, wobei der Verdampfer 1 mit dem Tank 5 über eine
Leitung 42 für verflüssigtes
Gas fluidleitend verbunden ist und wobei in der Leitung 42 ein
Ventil 49 angeordnet ist, umfasst folgende Verfahrensschritte: Öffnen des
Ventils 49 und Zulassen, dass verflüssigtes Gas aus dem Tank 5 in
die Leitung 42 gelangt; Schließen des Ventils 49 derart,
dass ein Anteil des verflüssigten
Gases in der Leitung 42 verweilt und in den Tank 5 zurückströmen kann;
Erwärmen
des Anteils in der Leitung 42. Auf diese Weise wird Wärme/Energie
in den Tank gebracht und führt
dort zu einer Druckerhöhung.
Bevorzugt wird die Leitung 42 so erwärmt, dass der in ihr befindliche
Anteil zumindest teilweise verdampft. Mit dieser Verfahrensweise
ist ein sehr effizienter Betrieb des Kühlverfahrens bzw. des Kühlfahrzeugs ohne
Verwendung einer motorischen Pumpe möglich. Vorteilhafterweise wird
zum Zeitpunkt des Schließens
des Ventils 49 in der Leitung 42 stromaufwärts vom
Ventil 49 ein Volumen an verflüssigten Gas von mindestens
1/1500, insbesondere mindestens 1/700, beispielsweise mindestens
1/300, des Volumens des Tanks 5 eingeschlossen. Durch das Erwärmen verdampft
insbesondere mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, beispielsweise
mindestens 50% oder mindestens 80%, des in der Leitung 5 verweilenden
Anteils an verflüssigten
Gas. Das Erwärmen
kann durch Umgebungswärme
an der Leitung 42 erfolgen.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren zum Fördern von verflüssigtem
Gas aus einem Tank 5 in einen geodätisch höher gelegenen Verdampfer 1 eines
Kühlfahrzeugs 2,
wobei der Verdampfer 1 mit dem Tank 5 über eine
Leitung 42 für
verflüssigtes Gas
strömungsverbunden
ist und in der Leitung 42 ein Ventil 42 angeordnet
ist, umfasst die Schritte: Aufbauen eines Überdruckes in dem Tank nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Aufbauen eines Drucks, und Öffnen
des Ventils 42 und Zulassen, dass das verflüssigte Gas
durch den Überdruck
in den Verdampfer 1 gedrückt wird. Zum Aufbauen des Drucks
wird insbesondere das Ventil 42 stoßweise geöffnet.
-
Eine
besonders vorteilhafte Vorrichtung zum Aufbauen eines Überdrucks
in einem Tank 5 für
verflüssigtes
Gas eines Kühlfahrzeugs 2 mit
einem Verdampfer 1 für
das verflüssigte
Gas, wobei der Verdampfer 1 mit dem Tank 5 über eine
Lei tung 42 für verflüssigtes
Gas fluidleitend verbunden ist und wobei in der Leitung 42 ein
Ventil 49 angeordnet ist, umfasst eine Steuerung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Aufbauen eines Drucks, wobei insbesondere das Innenvolumen in der
Leitung 42 stromaufwärts
vom Ventil 49 mindestens 1/1500, insbesondere mindestens
1/700, beispielsweise mindestens 1/300, des Innenvolumens des Tanks 5 beträgt. Vorteilhafterweise
weist die Leitung 42 eine thermische Isolation auf, wobei
insbesondere die Leitung oder deren Isolation stromaufwärts von
dem Ventil 49 eine solche Wärmebrücke 51 beziehungsweise
eine solche Wärmekapazität aufweist,
dass eine hinreichende Erwärmung
des im Tank 5 befindlichen flüssigen Stickstoffs geleistet werden
kann.
-
Ein
vorteilhaftes Kühlsystem 45 für ein Kühlfahrzeug 2 mit
mindestens einem Kühlraum 4, 9,
einem Tank 5 für
verflüssigtes
Gas und einem Verdampfer 1 zum Verdampfen des verflüssigten
Gases und Kälteabgabe
an den Kühlraum 4, 9,
wobei der Verdampfer 1 mit dem Tank 5 über eine
Leitung 42 für verflüssigtes
Gas fluidleitend verbunden ist und wobei in der Leitung 42 ein
Ventil 49 angeordnet ist, sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Aufbauen eines Druckes vor.
-
Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher 30 für ein mobiles
Kühlfahrzeug 2 mit
einem Tank 5 für
verflüssigtes
Gas, umfassend eine Rohrleitung 14 zur Aufnahme eines Stromes
eines verflüssigten
Gases und zur Verdampfung mindestens eines Teiles des verflüssigten
Gases, wobei die Rohrleitung 14 zumindest abschnittsweise
eine Längsachse 19 aufweist
und der Wärmetauscher 30 eine
Eintrittsseite 26 für
verflüssigtes
Gas und eine Austrittsseite 25 für zumindest teilweise verdampftes
Gas umfasst und wobei die Austrittsseite 25 mit einer Abgasleitung 6 strömungsverbunden
ist, wobei die Rohrleitung 14 in ihrem Inneren Elemente 18 zur
Erzeugung von Strömungsturbulenzen
oder einer radialen Phasentrennung aufweist. Die Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, dass durch die Elemente 18 eine Gasgrenzschichtdicke
an einer Rohrwand 23 der Rohrleitung 14, die durch
Verdampfen des Gases entsteht, erheblich verringert wird, wodurch
die Effizienz des Wärmetauschers 30 erheblich
gesteigert wird.
-
- 1
- Verdampfer
- 2
- Kühlfahrzeug
- 3
- Kühlraumgehäuse
- 4
- Kühlraum
- 5
- Tank
- 6
- Abgasleitung
- 7
- Strömungskanäle
- 8
- Ventilator
- 9
- Kühlraum
- 10
- Kühlmodul
- 11
- oberer
Bereich
- 12
- unterer
Bereich
- 13
- Druckaufbaumittel
- 14
- Rohrleitung
- 15
- erste
Rohrleitungsstelle
- 16
- zweite
Rohrleitungsstelle
- 17
- Lamellen
- 18
- Elemente
- 19
- Längsachse
- 20
- Mittel
zur Überprüfung des
Gasdichtheit des Wärmetauschers 30 beziehungsweise
des Verdampfers 1
- 21
- Einbauten
- 22
- Profilstäbe
- 23
- Rohrwand
- 24
- Phasentrenner
- 25
- Austrittsseite
- 26
- Eintrittsseite
- 27
- gekühlte Kühlluft
- 28
- Widerstandsheizung
- 29
- Wärmetauschergehäuse
- 30
- Wärmetauscher
- 31
- Auffangwanne
- 32
- Heizelement
- 33
- Ausblasöffnung
- 34
- Fangkanten
- 35
- Drucksensor
- 36
- Zuleitung
des Phasentrenners 24
- 37
- Temperatursensor
- 38
- Drucksteuerung
- 39
- zu
kühlende
Kühlluft
- 40
- Ableitung
des Phasentrenners 24
- 41
- Verwirbelungsstruktur
- 42
- Leitung
für verflüssigtes
Gas
- 43
- elektrische
Leitung
- 44
- Anzeigegerät
- 45
- Kühlsystem
- 46
- erste
Stelle
- 47
- zweite
Stelle
- 48
- Tür
- 49
- Ventil
- 50
- Stirnseite
- 51
- Wärmebrücke
- 52
- Motor
für Ventilator
- 53
- Temperatursensor
- 54
- Strömungsrichtung
des verflüssigten
Gases
- 55
- weiteres
Ventil
- 56
- Abgas
- 57
- Leitungsabschnitt