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(11) | EP 3 404 268 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | VENTILATIONSEINHEIT FÜR KÄLTEANLAGEN |
| (57) Die Erfindung betrifft eine Ventilationseinheit (1) ausgebildet zum Einsatz und zur
Anordnung an einer Kälteanlage, mit einem Lüfter und einem zu dem Lüfter in Reihe
angeordneten Wärmeübertrager (3), wobei der Lüfter ausgebildet und gegenüber dem Wärmeübertrager
(3) angeordnet ist, im Betrieb einen Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager (3)
hindurch und aus der Ventilationseinheit heraus zu fördern, dadurch gekennzeichnet,
dass der Lüfter als Diagonallüfter (2) ausgebildet ist und den Luftvolumenstrom im
Betrieb axial ansaugt und diagonal in einem Winkel gegenüber seiner Rotationsachse
(RA) ausbläst.
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[0001] Die Erfindung betrifft eine Ventilationseinheit ausgebildet zum Einsatz und zur Anordnung an einer Kälteanlage.
[0002] Beim Einsatz von Ventilationseinheiten mit Lüfter und Wärmeübertagern, die häufig auch als Wärmetauscher bezeichnet werden, an Kälteanlagen ist problematisch, dass der Wärmeübertrager während des Betriebs kontinuierlich zunehmend vereist und mithin sein Strömungswiderstand zunimmt. Der nachgeschaltete Lüfter muss gegen den zunehmenden Strömungswiderstand arbeiten, wodurch sich sein Betriebszustand verändert. Herkömmlicherweise werden bei derartigen Ventilationseinheiten Axiallüfter bzw. Axialventilatoren eingesetzt, die auf den Strömungswiderstand des Wärmetauschers ohne Vereisung ausgelegt werden. Daraus resultiert, dass der Lüfter nur kurzzeitig im Bereich optimaler Effizienz betrieben wird, jedoch mit zunehmender Vereisung des Wärmeübertragers und dessen steigendem Strömungswiderstand sich der Betriebszustand des Lüfters aus dem Bereich des Wirkungsgradoptimums heraus bewegt. Aufgrund des erhöhten Strömungswiderstands verändert sich zudem die Abströmrichtung von einer axialen in eine mehr und mehr radiale Richtung.
[0003] Dabei ist neben der aus wirtschaftlicher Sicht verschlechterten Anlageneffizienz auch aus strömungstechnischer Sicht nachteilig, da sich die Wurfweite des Lüfters stark reduziert, wodurch es zu einer ungleichförmigen Temperaturverteilung in dem an den Lüfter angrenzenden Kühlraum kommt. Zudem wird radial ausgeblasene Luft anteilig direkt um den zunehmend vereisenden Wärmeübertrager zurück zu dessen Einlaufbereich gefördert und erneut durch den Wärmeübertrager hindurchgeführt, wodurch es zu einem thermischen Kurzschluss kommt.
[0004] Typischerweise befindet sich am Lüfter ausblasseitig ein Schutzgitter. In diesem Bereich mischt sich bei der zunehmend radialen Abströmung des Axiallüfters die sehr kalte Luft mit der Luft des angrenzenden Kühlraums (Rückströmung im Nabenbereich). In Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit kann sich Eis oder schneeähnliches Material an den Lüfterschaufeln oder dem Schutzgitter festsetzen, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Strömungscharakteristik ebenfalls verschlechtern. Zudem kann beim Abtauen des Wärmeübertragers und stillstehendem Lüfter das Eis auf den Wandring des Lüfters fallen und durch Vereisung ein Wiederanlaufen des Lüfters verhindern.
[0005] Das notwendige Abtauen ist generell ein nachteiliger, aufwendiger und so weit als möglich zu vermeidender Störungsprozess des eigentlichen Betriebs.
[0006] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ventilationseinheit bereit zu stellen, welche die vorstehenden Nachteile überwindet und effizienter sowie mit geringerer Abtauhäufigkeit betrieben werden kann.
[0008] Erfindungsgemäß wird eine Ventilationseinheit ausgebildet zum Einsatz und zur Anordnung an einer Kälteanlage vorgeschlagen, mit einem Lüfter und einem zu dem Lüfter in Reihe angeordneten Wärmeübertrager, wobei der Lüfter ausgebildet und gegenüber dem Wärmeübertrager angeordnet ist, im Betrieb einen Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager hindurch und aus der Ventilationseinheit heraus zu fördern. Der Lüfter ist erfindungsgemäß als Diagonallüfter ausgebildet. Bei dem Diagonallüfter wird der Luftvolumenstrom im Betrieb axial angesaugt und diagonal in einem Winkel gegenüber der Rotationsachse des Diagonallüfters ausgeblasen.
[0009] Der Diagonalventilator zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch eine hohe Luftleistung auch bei höherem Gegendruck aus. Dabei ist sichergestellt, dass auch bei den im Betrieb maximal auftretenden Gegendrücken die Ausblasrichtung des Diagonalventilators stets diagonal und nicht radial ist. Seine Wurfweite bleibt auch bei einem kontinuierlich zunehmend vereisenden Wärmeübertrager im Wesentlichen unverändert groß, ein thermischer Kurzschluss durch eine außenseitige Rückströmung zum Ansaugbereich des Wärmeübertragers wird verhindert. Zudem wird eine sich hieraus ergebende stärkere Vereisung des Wärmeübertragers vermieden. Die Abtauzyklen des Wärmeübertragers werden verlängert.
[0010] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Diagonallüfter ausgebildet, den Luftvolumenstrom axial anzusaugen und diagonal in einem Winkel von 10 - 80°, weiter bevorzugt einem Winkel von 25 - 60°, gegenüber seiner Rotationsachse auszublasen. Im Vergleich zu einem 0°-Ausblaswinkel eines Axiallüfters und einem 90°-Ausblaswinkel eines Radiallüfters bietet der Ausblaswinkel des Diagonallüfters von vorneherein einen Mittelwert, der über den Betrieb aufrecht erhalten werden kann.
[0011] Eine günstige Ausführungsform der Ventilationseinheit sieht vor, dass der Diagonallüfter ausgebildet und in der Ventilationseinheit angeordnet ist, den Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager anzusaugen und aus der Ventilationseinheit heraus in eine freie Umgebung, beispielsweise in einem Kühlraum auszublasen. Der Diagonallüfter ist mithin strömungstechnisch dem Wärmeübertrager nachgeschaltet.
[0012] Der Wärmeübertrager erzeugt im Betrieb durch fortschreitende Vereisung für den Diagonallüfter einen sich von einem Ausgangsströmungswiderstand mit einer ersten Widerstandskennlinie (A) zu einem Vereisungswiderstand mit einer zweiten Widerstandskennlinie (B) erhöhenden Durchströmungswiderstand. Bei der Ventilationseinheit ist eine vorteilhafte Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfter ausgelegt ist, dass sein höchster Wirkungsgradbereich in einem Bereich einer dritten Widerstandskennlinie (C) des Wärmeübertragers ist, wobei die dritte Widerstandskennlinie zwischen der ersten und der zweiten Widerstandskennlinie (A, B) liegt. Die Widerstandskennlinien (A, B, C) sind dabei durch einen über eine geförderte Luftmenge qv [m3/h] ansteigenden Gegendruck psf [Pa] gekennzeichnet. Die Abströmung bleibt dabei auch bei maximalen Gegendrücken stets diagonal und verändert sich nicht in eine radiale Richtung, wie beispielsweise bei Axiallüftern.
[0013] Erfindungsgemäß ist der Wärmeübertrager ausgebildet, den Luftvolumenstrom auf eine Fördermitteltemperatur von kleiner oder gleich 15°C, insbesondere 5°C zur Bildung eines Kaltluftvolumenstroms abzukühlen, wobei der Kaltluftvolumenstrom unmittelbar von dem Diagonallüfter ansaugbar und ausblasbar ist. Zwischen dem Wärmeübertrager und dem Diagonallüfter sind keine den Kaltluftvolumenstrom wärmetechnisch beeinflussenden Bauteile vorgesehen, die Ansaugung durch den Diagonallüfter erfolgt unmittelbar dem Wärmeübertrager nachgeschaltet.
[0014] Die Ventilationseinheit ist in einer Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfter und der Wärmeübertrager durch ein Gehäuse miteinander verbunden sind, wobei das Gehäuse einen geschlossenen Strömungskanal für den Luftvolumenstrom bzw. den Kaltluftvolumenstrom bildet.
[0015] Ferner ist auch vorteilhaft, dass die Ventilationseinheit als integrale Baueinheit zur ganzheitlichen Anordnung und Befestigung an der Kälteanlage ausgebildet ist. Die integrale Baueinheit kann als Ganzes vormontiert und geliefert werden. An den Kühlräumen muss lediglich noch der elektrische Anschluss erfolgen. Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Montage wird hierdurch verringert.
[0016] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Wärmeübertrager als Verdampfer ausgebildet.
[0017] Bei einer Weiterbildung umfasst die Ventilationseinheit ferner eine (Strömungs-)Leiteinrichtung, welche in einem Ausblasabschnitt des Diagonallüfters angeordnet und ausgebildet ist, den von dem Diagonallüfter in diagonaler Richtung ausgeblasenen Luftvolumenstrom in eine axiale Richtung umzulenken. Die diagonale Ausblasrichtung des Diagonallüfters kann hierdurch in eine axiale Ausblasströmungsrichtung umgelenkt und mithin die Wurfweite des Diagonallüfters vergrößert werden. Die Leiteinrichtung kann durch Teile des Gehäuses oder durch zusätzlich an dem Diagonallüfter befestigbare Leitkörper wie Leitbleche oder dergleichen realisiert werden. In einer Ausführungsvariante wird die Leiteinrichtung einteilig an dem Diagonallüfter ausgebildet, so dass die Teileanzahl minimiert ist.
[0018] Ausblasseitig kann an dem Diagonallüfter zusätzlich ein Schutzgitter oder Eingriffsschutz angeordnet werden.
[0019] Ferner kann bei der Ventilationseinheit vorgesehen werden, dass die Leiteinrichtung den Drall des von dem Diagonallüfter erzeugten Luftvolumenstroms teilweise in statischen Druck umwandelt und dadurch die Druckerhöhung, Effizienz und Wurfweite des Diagonallüfters steigert.
[0020] Ferner ist der Diagonallüfter in einer Ausführungsvariante mit einer mitrotierenden, die Lüfterschaufeln überdeckenden Deckscheibe ausgebildet.
[0021] Der Ventilationseinheit kann zudem in einem Ausführungsbeispiel ferner derart ausgebildet sein, dass die Strömungsführung in dem feststehenden Gehäuse erfolgt und der Diagonallüfter ein axiallüfterähnliches Flügelende aufweist. Zwischen dem Laufrad und den Lüfterschaufeln ist dann ein Spalt vorgesehen.
[0022] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine nicht zur Erfindung gehörige Ventilationseinheit mit einem Axiallüfter gemäß dem Stand der Technik zur Veranschaulichung des Strömungsverhaltens im vereisten Zustand;
- Fig. 2
- die Ventilationseinheit aus Fig. 1 in einem Zustand ohne Vereisung;
- Fig. 3
- eine erfindungsgemäße Ventilationseinheit im vereisten Zustand;
- Fig. 4
- ein Diagramm zur Darstellung der Auslegung der erfindungsgemäßen Ventilationseinheit
[0023] In Figur 1 ist der grundsätzliche erfindungsgemäße Aufbau der Ventilationseinheit schematisch dargestellt, jedoch zur Veranschaulichung der strömungstechnischen Problematik mit einem Axiallüfter 11 im Anschluss an einen Wärmeübertrager 10. Gezeigt ist ein vereister Zustand des Wärmeübertragers 10 und einer daraus resultierenden im Wesentlichen radialen Abströmung des Axiallüfters 11. Über den mit Pfeilen dargestellten Strömungsweg 8 kommt es zum thermischen Kurzschluss, bei dem ausgeblasene Luft des Axiallüfters 11 wieder zum Ansaugbereich des Wärmeübertragers zurückgelangt. Zudem erfolgt eine ausblasseitige Zuströmung 9 im Nabenbereich des Axiallüfters 11, die durch die Abströmung überlagert wird. Von der eigentlichen, im unvereisten Zustand vorgesehenen rein axialen Abströmung, wie sie beispielhaft in Figur 2 gezeigt wird, ist im vereisten Zustand des Wärmetauschers nichts oder kaum etwas übrig.
[0024] In Figur 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ventilationseinheit 1 im vereisten Zustand mit einem Diagonallüfter 2 und einem hierzu in Reihe angeordneten und als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager 3 dargestellt. Der Wärmeübertrager 3 und der Diagonallüfter sind über ein einen Strömungskanal bildendes Gehäuse 5 miteinander verbunden. Sowohl der Diagonallüfter 2 als auch der Wärmeübertrager 3 sind in das Gehäuse 5 eingesetzt und befestigt, so dass die Ventilationseinheit eine integrale Baueinheit ist. Am Ausblasabschnitt des Diagonalventilators 2 ist ein Schutzgitter 19 angeordnet. Die Ventilationseinheit 1 ist in ihrer schematisch dargestellten Form ausgebildet zum Einsatz und zur Anordnung an einer Kälteanlage.
[0025] Im Betrieb saugt der Diagonallüfter 2 einen Luftvolumenstrom aus axialer Richtung durch den Wärmeübertrager 3 hindurch an und bläst ihn trotz Vereisung anschließend aus der Ventilationseinheit 1 diagonal in einem Winkel a=30° gegenüber der Rotationsachse RA des Diagonallüfters 2 heraus in die freie Umgebung, beispielsweise in eine Kühlkammer. Der diagonale Abströmweg 7 ist mit Pfeilen gekennzeichnet.
[0026] Der Wärmeübertrager 3 kühlt den Luftvolumenstrom auf eine Fördermitteltemperatur von kleiner oder gleich 15°C, insbesondere kleiner oder gleich 5°C, zur Bildung des Kaltluftvolumenstroms, der unmittelbar von dem Diagonallüfter 2 angesaugt wird.
[0027] Die erfindungsgemäße Ventilationseinheit 1 gemäß Figur 3 mit dem Diagonallüfter 2 ist gegenüber der in Figur 1 gezeigten Ausführung mit einem Axiallüfter 10 in einer Weise auslegbar, wie es in Figur 4 anhand eines Diagramms der geförderten Luftmenge qv [m3/h] gegenüber dem Druck psf [Pa] aufgezeigt ist. Darin sind die Lüfterkennlinien 11', 2' des Axiallüfters 11 aus Figur 1 und des Diagonallüfters 2 aus Figur 3 sowie drei sich aufgrund unterschiedlicher Vereisungszustände des Wärmeübertragers 3 ergebende Widerstandskennlinien A, B, C eingezeichnet.
[0028] Der Durchströmungswiderstand des Wärmeübertragers 3 steigt im Betrieb durch fortschreitende Vereisung von einem Ausgangsströmungswiderstand mit einer ersten Widerstandskennlinie A für den Diagonallüfter zu einem Vereisungswiderstand mit einer zweiten Widerstandskennlinie B an. Im Zustand der zweiten Widerstandskennlinie wird ein Abtauprozess des Wärmeübertragers 3 eingeleitet. Der Diagonallüfter 2 ist hingegen durch seine diagonale Ausblasrichtung so ausgelegt, seinen höchsten Wirkungsgradbereich in einem Bereich der dritten Widerstandskennlinie C des Wärmeübertragers 3 aufzuweisen, wobei die dritte Widerstandskennlinie C zwischen der ersten und zweiten Widerstandskennlinie A, B liegt. Die Widerstandskennlinien A, B, C sind durch einen über eine geförderte Luftmenge qv [m3/h] ansteigenden Gegendruck psf [Pa] gekennzeichnet.
[0029] Die erfindungsgemäße Ventilationseinheit 1 mit dem Diagonallüfter 2 kann im Vergleich zu einem Aufbau mit dem Axiallüfter 11, der nur im Bereich der Widerstandskennlinie A auslegungsgemäß funktioniert, über einen längeren Zeitraum und mit höherem Wirkungsgrad im Bereich der Widerstandskennlinie C bei entsprechend gleich großer Fördermenge betrieben werden. Der absolute Unterschied ist durch die Lüfterkennlinien 11', 2' der Axiallüfter 11 und Diagonallüfter 2 im Diagramm gekennzeichnet.
1. Ventilationseinheit (1) ausgebildet zum Einsatz und zur Anordnung an einer Kälteanlage,
mit einem Lüfter und einem zu dem Lüfter in Reihe angeordneten Wärmeübertrager (3),
wobei der Lüfter ausgebildet und gegenüber dem Wärmeübertrager (3) angeordnet ist,
im Betrieb einen Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager (3) hindurch und aus der
Ventilationseinheit heraus zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter als Diagonallüfter (2) ausgebildet ist und den Luftvolumenstrom im Betrieb
axial ansaugt und diagonal in einem Winkel gegenüber seiner Rotationsachse (RA) ausbläst,
wobei der Wärmeübertrager (3) ausgebildet ist, den Luftvolumenstrom auf eine Fördermitteltemperatur
von ≤ 15°C zur Bildung eines Kaltluftvolumenstroms abzukühlen, und wobei der Kaltluftvolumenstrom
unmittelbar von dem Diagonallüfter (2) ansaugbar und ausblasbar ist.
2. Ventilationseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfter (2) ausgebildet ist, den Luftvolumenstrom axial anzusagen und
diagonal in einem Winkel von 10 - 80°, insbesondere einem Winkel von 25 - 60° gegenüber
seiner Rotationsachse (RA) auszublasen.
3. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfter (2) ausgebildet und in der Ventilationseinheit (1) angeordnet
ist, den Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager (3) anzusaugen und aus der Ventilationseinheit
(1) heraus in eine freie Umgebung auszublasen.
4. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (3) für den Diagonallüfter (2) im Betrieb durch fortschreitende
Vereisung einen sich von einem Ausgangsströmungswiderstand mit einer ersten Widerstandskennlinie
(A) zu einem Vereisungswiderstand mit einer zweiten Widerstandskennlinie (B) erhöhenden
Durchströmungswiderstand erzeugt und der Diagonallüfter (2) ausgelegt ist, seinen
höchsten Wirkungsgradbereich in einem Bereich einer dritten Widerstandskennlinie (C)
des Wärmeübertragers (3) aufzuweisen, wobei die dritte Widerstandskennlinie (C) zwischen
der ersten und der zweiten Widerstandskennlinie (A, B) liegt, und wobei die Widerstandskennlinien
(A, B, C) durch einen über eine geförderte Luftmenge qv [m3/h] ansteigenden Gegendruck psf [Pa] gekennzeichnet sind.
5. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfter (2) und der Wärmeübertrager (3) durch ein Gehäuse (5) miteinander
verbunden sind, das einen geschlossenen Strömungskanal für den Luftvolumenstrom bildet.
6. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als integrale Baueinheit zur ganzheitlichen Anordnung und Befestigung an der
Kälteanlage ausgebildet ist.
7. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (3) als Verdampfer ausgebildet ist.
8. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, ferner umfassend eine Leiteinrichtung,
welche in einem Ausblasabschnitt des Diagonallüfters (2) angeordnet und ausgebildet
ist, den von dem Diagonallüfter (2) in diagonaler Richtung ausgeblasenen Luftvolumenstrom
in eine axiale Richtung umzulenken.
9. Ventilationseinheit nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung einteilig an dem Diagonallüfter (2) ausgebildet ist.
10. Ventilationseinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung ausgebildet ist, einen Drall des von dem Diagonallüfter (2) erzeugten
Luftvolumenstroms teilweise in statischen Druck umzuwandeln.
11. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diagonallüfters (2) eine mitrotierende Deckscheibe aufweist.
12. Ventilationseinheit nach einem der vorigen Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) eine Luftführung für den von dem Diagonallüfter (2) erzeugten Luftvolumenstrom
bildet.