DE102007016712A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit - Google Patents

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen einer Flüssigkeit (2) zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kältemittel, umfassend ein kälteverflüssigtes Gas, in die Flüssigkeit (2) eingeleitet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) ermöglichen in vorteilhaft einfacher Weise die Herstellung von gekühlten Flüssigkeiten (2), die beispielsweise als Prozesswasser bei der Frischbetonherstellung eingesetzt werden können. Hierbei wird der Enthalpiegehalt des Kältemittels, bevorzugt von flüssigem Stickstoff, in guter Weise genutzt, indem einerseits die Verdampfungsenthalpie und andererseits die Erwärmung des Stickstoffes nach der Verdampfung bis zur Eistemperatur zum Kühlen der Flüssigkeit eingesetzt werden.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit. Bevorzugt wird die entsprechende Flüssigkeit, die nach dem Kühlen gegebenenfalls auch eine Suspension aus gefrorener Flüssigkeit in Flüssigkeit darstellen kann, als Prozessflüssigkeit in weiteren Prozessen eingesetzt. Besonders bevorzugt ist der Einsatz zum Kühlen von Wasser als Prozesswasser zum Einsatz bei der Herstellung von Frischbeton.
  • Zum Abkühlen von Flüssigkeiten sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, mittels Kompressionskältemaschinen, basierend auf Absorptionskälteprozessen oder durch indirekte Kühlung über einen Wärmetauscher Flüssigkeiten zu kühlen. Bei den Flüssigkeiten handelt es sich oftmals um Wasser, Laugen, Säuren, Lösungsmittel und/oder flüssige Lebensmittel. Sämtliche hier benannten Prozesse sind apparativ aufwändig, was die bezeichneten Verfahren insbesondere dann unwirtschaftlich macht, wenn diskontinuierlich eine Flüssigkeit gekühlt werden muss, da dann hohe Standzeiten mit hohem apparativen Aufwand zusammenfallen.
  • Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kühlen von Flüssigkeiten anzugeben, welches bei hoher Kühleffektivität apparativ einfach ausführbar ist. Eine entsprechende Vorrichtung soll ebenfalls vorgeschlagen werden.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildung gerichtet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen einer Flüssigkeit beruht darauf, dass ein Kältemittel umfassend ein kälteverflüssigtes Gas in die Flüssigkeit eingeleitet wird.
  • Bevorzugt besteht das Kältemittel gänzlich aus einem kälteverflüssigten Gas, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff. Bevorzugt kommt es zu einer zumindest teilweisen, insbesondere zu einer vollständigen Verdampfung des kälteverflüssigten Gases. Durch die damit aufgebrachte Verdampfungsenthalpie und anschließende Erwärmung des verdampften Gases erfolgt eine Kühlung der Flüssigkeit, durch die insbesondere ein zumindest teilweises Gefrieren der Flüssigkeit erreicht werden kann, so dass bevorzugt eine Suspension von gefrorener Flüssigkeit in Flüssigkeit entsteht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kältemittel und insbesondere das kälteverflüssigte Gas in Tropfenform in die Flüssigkeit eingebracht.
  • Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Tropfen des verflüssigten Gases in der zu kühlenden Flüssigkeit zu erreichen. Dadurch kann besonders wirkungsvoll ein Durchfrieren der Flüssigkeit verhindert werden. Erfindungsgemäß bilden sich dadurch Eiskristalle bzw. Konglomerate der gefrorenen Flüssigkeit, die mit der noch nicht gefrorenen Flüssigkeit eine Suspension bilden. Diese Suspension kann in besonders bevorzugter Weise zum Kühlen von anderen Stoffen und insbesondere als Prozesswasser oder Prozessflüssigkeit in anderen Prozessen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Einsatz von entsprechend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gekühltem Wasser zur Herstellung von Beton.
  • So ist es einerseits möglich, hier Frischbeton einer definierten Temperatur herzustellen und andererseits ist der entstehende Beton beim Einsatz zur Herstellung von armiertem Beton und insbesondere von Stahlbeton vorteilhaft, da hier die Korrosionsneigung vermindert ist. Dies beruht darauf, dass beim Einsatz von flüssigem Stickstoff als Kältemittel ein Strippen des im Wasser gelösten Luftsauerstoffes erfolgt. Insbesondere ist hierunter eine Verdrängung des im Wasser gelösten Luftsauerstoffes durch Stickstoff zu verstehen. Durch den verringerten Anteil an im Wasser gelösten Luftsauerstoff wird die Korrosionsneigung bei Armierung des Betons stark vermindert. Insbesondere liegt der Stickstoffanteil bzw. der Anteil des gelösten Stickstoffes im Wasser nach Kühlung auf etwa 0°C bei im Wesentlichen 16 mg/m3 (Milligramm pro Kubikmeter).
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Tropfendurchmesser im Bereich von 1 bis 3 mm.
  • Diese spezielle Tropfengröße bewirkt eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des flüssigen Gases in der Flüssigkeit, so dass es zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Gefrierung ohne die Bildung eines durchgefrorenen Blockes aus gefrorener Flüssigkeit kommt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das kälteverflüssigte Gas Stickstoff.
  • Insbesondere besteht das Kältemittel gänzlich aus flüssigem Stickstoff. Flüssiger Stickstoff weist eine relativ hohe Verdampfungsenthalpie auf und ist zudem relativ preiswert herzustellen oder einfach zu beziehen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Kühlung von Flüssigkeiten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kältemittel mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s und mehr in die Flüssigkeit eingebracht.
  • Diese relative hohe Geschwindigkeit bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Tropfen des Kältemittels, so dass eine gute Durchmischung von Kältemittel und Flüssigkeit stattfindet. Dies führt zu einem guten Kühlergebnis und führt zur Bildung relativ kleiner Eisstücke, so dass eine gut durchmischte Suspension von gefrorener Flüssigkeit in Flüssigkeit erhalten wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Flüssigkeit umgewälzt.
  • Hierdurch kann die durch Mischung der Tropfen des Kältemittels mit der zu kühlenden Flüssigkeit weiter verbessert werden, so dass ein weiterhin verbessertes Kühlergebnis erreicht werden kann. Insbesondere kann durch die Umwälzung vermieden werden, dass die relativ große Stücke gefrorener Flüssigkeit entstehen.
  • Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zugegebene Menge an Kältemittel in Abhängigkeit von einem Anteil der Flüssigkeit, der gefroren ist, geregelt.
  • Der Anteil an Flüssigkeit, der gefroren ist – im folgenden vereinfachend der Eisanteil – bestimmt die Kühlleistung, die später mit der gekühlten Flüssigkeit erreicht werden kann, da beim Schmelzen des Eises zusätzlich die Schmelzenthalpie aufgebracht werden muss, die in vorteilhafterweise auch zur Kühlung eingesetzt werden kann. Von da her ist die Regelung in Abhängigkeit vom Eisanteil vorteilhaft, da hierbei letztendlich die zur Kühlung zur Verfügung stehender Wärme- und Enthalpiemenge festgelegt werden kann. Eisanteile von bis zu 30%, bevor zugt bis zu 35%, besonders bevorzugt bis zu 40% oder sogar insbesondere bis zu 50% sind vorteilhaft möglich.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zuzugebende Menge an Kältemittel so geregelt, dass bis zu 30% der Flüssigkeit gefroren sind.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zuzugebende Menge an Kältemittel mittels einer Wärmebilanzrechnung ermittelt.
  • Hierbei wird insbesondere die Temperatur der Flüssigkeit, die eingetragene Menge an Kältemittel, die Temperatur des Kältemittels, die Temperatur des verdampften tief kaltverflüssigten Gases bei Verlassen des Kühlprozesses und/oder Ähnliches berücksichtigt. Insbesondere kann mittels der Wärmebilanzrechnung ein Eisanteil vorgegeben werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kältemittel durch mindestens eine Düse zugegeben.
  • Düsen eignen sich besonders zur Herstellung von Tropfen des Kältemittels, so dass mit einer entsprechenden Ausgestaltung der mindestens einen, bevorzugt mehreren Düsen eine gute Durchmischung des Kältemittels mit der Flüssigkeit und damit ein gutes Kühlergebnis und eine homogene Suspension von gefrorener Flüssigkeit in Flüssigkeit erreicht werden kann.
  • Gemäße einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann, wenn kein Kältemittel zuströmt durch die Düsen das in Kältemittel umfasste Gas in Gasform zugegeben.
  • Hierbei kann dieses durch externes Verdampfen des tief kalten verflüssigten Gases hergestellt werden oder aus anderen Quellen zugesetzt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein zumindest teilweiser Verschluss der Düsen durch Vereisung verhindert werden kann, da die Düsen offen gehalten werden können. Die Eindüsung von Gas eignet sich hierfür, da dadurch ein intervenierender Betrieb bei der Zugabe von Kältemittel möglich ist und es nicht zu einer Kontamination der Flüssigkeit mit einem weiteren Gas kommt. Hierdurch ist es möglich, in ersten Zeitintervallen die Düsen nicht zur Zugabe von verflüssigtem Gas zu nutzen, sondern stattdessen das Gas in Gasform zuzugeben, während zu anderen Zeitpunkten kein Gas in Gasform, sondern in flüssiger Form zugegeben wird. Dies ermöglicht einen besonders kosten- und energetisch günstigen Betrieb des Verfahrens, bei dem eine Vereisung der Düsen unterbleibt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit vorgeschlagen, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst:
    • – einen Behälter zur Aufnahme der Flüssigkeit und
    • – mindestens eine Düse zur Zuführung eines kälteverflüssigten Gases umfassend das Kältemittel in Tropfenform.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Düsen einen Austrittsdurchmesser von 1 bis 3 mm auf.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Behälter einen Gassammelraum mit Gasabführleitung.
  • Bevorzugt ist dieser Gassammelraum oberhalb bzw. am oberen Ende bzw. am oberen Bereich ausgebildet. Die ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das tief kälteverflüssigte Gas nach Verdampfung eine Dichte aufweist, die kleiner als die Dichte der Flüssigkeit ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn als Kältemittel flüssiger Stickstoff zur Kühlung von Wasser eingesetzt wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Fördereinrichtung zur Förderung und/oder Umwälzung der Flüssigkeit.
  • Hierdurch kann gewährleistet werden, dass einerseits ein Massenfluss der gekühlten Flüssigkeit unabhängig von einem Füllstand der Flüssigkeit im Behälter gewährleistet werden kann und andererseits kann durch das Umwälzen ein gänzliches Gefrieren der Flüssigkeit verhindert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Fördereinrichtung, die beispielsweise eine Pumpe umfassen kann, Mittel zum Zerkleinern von gefrorener Flüssigkeit zugeordnet.
  • Bevorzugt sind diese Mittel mit der Fördereinrichtung kombiniert oder direkt stromaufwärts der Fördereinrichtung ausgebildet. Dies führt in vorteilhafter Weise zur Homogenisierung der Teilchengrößenverteilung in der Flüssigkeit und insbesondere in der Eis-Wassersuspension, da so gewährleistet werden kann, dass ein Durchfrieren der Flüssigkeit verhindert wird, da sich im Behälter bildende größere Eisteilchen zerkleinert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese weiterhin Steuermittel zum Regeln der Zufuhr von Kältemittel. Hierdurch ist eine halb- und/oder vollautomatische Steuerung der Zugabe von Kältemittel zu realisieren. Bevorzugt werden dem Steuermittel Kenngrößen übermittelt, die beispielsweise die Temperatur im Behälter, die Temperatur des Kältemittels, die Temperatur des Abgases also des verdampften Kältemittels, die Menge an zu küh lender Flüssigkeit und/oder die Menge an zugegebenem Kältemittel umfassen. Eine weitere Kenngröße kann in bevorzugter Weise die Füllhöhe des Behälters, also die im Behälter vorhandene Flüssigkeitsmenge, darstellen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens ein mit dem Behälter in thermischen Kontakt stehender mit dem Steuermittel verbundener Temperatursensor ausgebildet. Über diesen lässt sich bevorzugt die Temperatur der Flüssigkeit ermitteln, entweder indem diese direkt gemessen wird und/oder indem die Temperatur der Flüssigkeit durch die Behältertemperatur und gegebenenfalls ein rechnergestütztes Modell des Behälters bestimmt wird.
  • In besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen von Frischbeton eingesetzt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, ohne dass diese auf die dort gezeigten Details und Ausführungsbeispiele beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch einen wärmeisolierten Behälter 1 zur Abkühlung einer Flüssigkeit 2, wie z. B. Wasser. Im unteren Bereich des wärmeisolierten Behälters 1 sind Düsen 3 gezeigt, durch die ein Kältemittel, welches ein kälteverflüssigtes Gas wie beispielsweise flüssigen Stickstoff umfasst in das abzukühlende Wasser eingebracht werden kann. Der Durchmesser des Behälters 1 beträgt etwa 2 m, die Höhe liegt bei etwa 5 m. In dem Behälter sind ungefähr 10 m3 Wasser eingefüllt, die Wassersäule beträgt etwa 3,10 m. Zur Messung der abzukühlenden Wassermenge wird die Wassersäule durch einen Füllstandssensor 4 überwacht. Über der Flüssigkeit 2 ist ein Gassammelraum 5 mit Gasabführleitung 6 ausgebildet. In dem Gassammelraum 5 wird der verdampfte gasförmige Stickstoff gesammelt und über die Gasabführleitung 6 abgeführt. Über einen ersten Temperatursensor 7, welcher beispielsweise in Form eines Thermoelementes, eines Thermowiderstandes oder Ähnliches ausgebildet ist, wird die Temperatur des verdampften Stickstoffs ermittelt. üblicherweise liegt diese nahe der Flüssigkeitstemperatur.
  • Das abzukühlende Wasser 2 wird über eine Zuleitung 8 kontinuierlich oder durch ein automatisches Absperrventil 9 geregelt diskontinuierlich dem Behälter 1 zugeführt. Die Wassereingangstemperatur wird mit einem zweiten Temperatursensor 10 überwacht. Statt einem automatischen Absperrventil 9 kann auch ein manuelles Absperrventil 10 oder andere Durchflussregelmaßnahmen ausgebildet sein.
  • Das auf die gewünschte Solltemperatur, beispielsweise 0°C, abgekühlte Wasser 2 kann durch die Ableitung 11 kontinuierlich mittels eines Fördermittels 12, insbesondere einer Förderpumpe, entnommen werden. Eine Regelung kann durch ein Absperrventil 13, bevorzugt ein automatisches Absperrventil 13, erfolgen. Im Falle insbesondere eines diskontinuierlichen Abpumpens wird das Wasser 2 über ein Überströmventil 14 umgewälzt. In dem Prozess des Umwälzen kann in besonders bevorzugter Weise auch die Flüssigkeit 2 im Behälter 1 einbezogen werden.
  • Zum Abkühlen des Wassers 2 wird entsprechend der einzustellenden Solltemperatur flüssiger Stickstoff, im Weiteren als LIN bezeichnet, durch die Düsen 3, die am Boden des Behälters 1 installiert sind, über das Regelventil 15 temperaturgeregelt eingeblasen. Die Temperatur im Behälter 1, insbesondere der Flüssigkeit 2 wird durch mindestens einen dritten Temperatursensor 16, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei dritte Thermesensoren, die auf unterschiedlichen Höhen des Behälters 1 ausgebildet sind, gemessen. Die Messwerte der dritten Temperatursensoren 16 werden in ein Steuermittel 17 übertragen, durch welches auch das Regelventil 15 steuerbar ist. Darüber hinaus wird auch die Menge des eingeblasenen LIN mit einer geeigneten Messvorrichtung 18 gemessen. Auch die Messwerte dieser Messvorrichtung 1 werden in das Steuermittel 17 übertragen und dort ausgewertet. Das Steuermittel 17 berücksichtigt weiterhin die theoretische Wassertemperatur, die mittels einer Wärmebilanzrechnung durch das Steuermittel 17 unter Berücksichtigung der mit dem Füllstandssensor 4 gemessenen Wassermengen und der Temperatur des gasförmigen Stickstoffes, welche über den ersten Temperatursensor 7 bestimmt wird, erfolgt. Die so berechnete Temperatur wird ständig mit der durch die dritten Temperatursensoren 16 ermittelten Wassertemperatur verglichen und darauf basierend gegebenenfalls die einzublasende LIN-Menge korrigiert. Dies ist insbesondere in der Nähe des Eispunktes vorteilhaft, um zu verhindern, dass eine zu große LIN-Menge in das Wasser eingeblasen wird, was zu unkontrollierter Eisbildung führt.
  • Bei Erreichen der Solltemperatur wird die LIN-Zufuhr über das Regelventil 15 geschlossen und automatisch das Ventil 19 geöffnet. Dadurch wird eine geringe Menge an gasförmigen Stickstoff permanent in den Behälter 1 eingeblasen. Damit wird der flüssige Stickstoff aus den Düsen 3 und entsprechenden Zuleitungen gedrückt und somit verhindert, dass Wasser 2 in die Düsen 3 und die Zuführung eindringt, welches aufgrund der tiefen Temperatur der Düsen 3 sofort gefrieren würde. Bei Fortsetzung des Kühlprozesses wird das LIN-Regelventil 15 wieder geöffnet und das GAN-Ventil 19 geschlossen. Damit fließt wieder flüssiger Stickstoff in den Behälter 1.
  • Bedingt durch das Einblasen des tief kalten flüssigen Stickstoffes in das Wasser 2 bilden sich an den Austrittsöffnungen der Düsen 3 Eiskristalle, die sich zu einem sogenannten Mushroom aufbauen. Durch eine Öffnung in der Mitte dieses Mushrooms tritt der flüssige Stickstoff aus. Durch geringe mechanische Spannung platzt dieser Eispanzer von der Düse 3 ab und wird regelmäßig erneut gebildet.
  • Nachfolgend wird die Herstellung von Prozesswasser mit einer Solltemperatur von 0°C beschrieben. Dieses Wasser 2 wird zur Herstellung von Beton benötigt. Die Herstellung von Qualitätsbeton z. B. für den Bau von Staudämmen, Brücken oder sogenannten „weißen Wannen" ist insbesondere im Sommer bei hohen Außentemperaturen ohne Kühlung des Frischbetons kritisch. Zu hohe Betontemperaturen bewirken eine schnelle Verdunstung des Wassers, was zu Schwindrissen führen kann. Vor allem bei großvolumigen Bauwerken muss die beim Erstarren freiwerdende Hydrationswärme berücksichtigt werden, da der Beton sich aufgrund der Temperatursteigung ausdehnt. Kühlt sich der Beton anschließend wieder auf Umgebungstemperatur ab, entstehen in dem unbewehrten Beton Risse. Es wird deshalb im Frischbeton eine möglichst geringe Temperatur eingestellt.
  • Um die Rissbildung bei massigen Bauteilen wie Staudämmen oder auch bei wasserdichten Wannen zu verhindern, werden Frischbetontemperaturen zwischen 8°C und 23°C benötigt. Um diese Temperaturen einzuhalten, wird z. B. der Frischbeton im Transportfahrzeug durch indirektes Einspritzen von flüssigem Stickstoff in die drehende Trommel um bis zu 6°C abgekühlt. Bei diesem Verfahren muss allerdings beachtet werden, dass bei zu starker Frost im Beton Gefügestörungen auftreten können.
  • Das Abkühlen der Zuschlagsstoffe, wie z. B. von Kies oder von Anmachwasser vor der Mischung ist deshalb bei weitem unproblematischer. Im Weiteren werden deshalb die wesentlichen Verfahrensparameter für die Herstellung von Beton in einem stationären Mischer und die Ergebnisse bedingt durch das Abkühlen des Anmachwassers tabellarisch zusammengefasst.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Frischbetonzusammensetzung und Temperatur der Einsatzstoffe
    Einsatzstoffe Anteil [kg/m3] Temperatur [°C]
    Zement 160 40
    Hochofenschlacke 200 20
    Sand mit 7% Wasseranteil 1000 18
    Kies, Körnung 6 bis 16 mm und 16 bis 32 mm 900 18
    Wasser 120 20
    Rohdichte 2380
  • Bei der Wasserkühlung durch direktes Einspritzen von LIN unter einem Druck von 5 bar wurde bei einem Mischervolumen von 4,5 m3 bei einer Wassermenge von 540 kg pro Mischung und einer Mischzeit von 3 Minuten bei einer Kälteleistung von 251 kW und einer Flüssigstickstoffmenge von 2.580 kg/h bei einer abzukühlenden Wassermenge von 10,8 m3/h und einem spezifischen LIN-Verbrauch von 8,9 l flüssigem Stickstoff pro °C und pro m3 Beton eine Frischbetontemperatur von 16,5°C erreicht. Beim Vergleichsbeispiel konnte mit einer Wassertemperatur von 20,5°C eine Frischbetontemperatur von 20°C erreicht werden. Somit ermöglicht also das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen von Frischbeton eine deutliche Abkühlung des Frischbetons bei geringem apparativen Aufwand, die insbesondere bei heißem Wetter die Herstellung von hochwertigem Beton ermöglicht.
  • In 2 ist eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Gleiche Elemente im ersten und im zweiten Ausführungsbeispiel werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf die Ausführung zu 1 wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein Fördermittel 12 auf, welches über eine Bypassleitung wieder mit dem Behälter 1 verbunden ist. Somit wird die erzeugte Wasser-Eissuspension über ein Überströmventil 14 gedrosselt und über die Bypassleitung 20 zurück in den Behälter 1 gepumpt. Das Fördermittel, eine Zirkulationspumpe, weist ein vorgeschaltetes rotierendes Messerwerk 21 auf. Mit diesem werden größere Eisstücke zerkleinert. Durch diesen zusätzlichen Kreislauf wird die Wasser-Eissuspension im Behälter vergleichmäßigt und es können mindestens bis zu 30% Eisanteil in der Wasser-Eissuspension erzeugt werden, ohne dass das Wasser 2 im Behälter 1 durchgefriert.
  • Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine bereits vorhandene Förderpumpe, die der Förderung des Wassers in eine Wiegevorrichtung dient, als Zirkulationspumpe zu nutzen. Nachdem Füllvorgang der Wiegevorrichtung, der üblicherweise etwa 15 Sekunden dauert, wird die Förderpumpe für die Restzeit des Betonmischvorganges im Kreislauf gefahren und die Wasser-Eissuspension über ein Überströmventil zurück in den Behälter 1 gepumpt. Ein rotierendes Messerwerk wird dieser Förderpumpe ebenfalls bevorzugt vorgeschaltet.
  • Nachfolgend wird der Abkühleffekt auf die Betonfrischtemperatur beschrieben, wenn das für die Betonherstellung benötigte Prozesswasser, dass so genannte Anmachwasser aus einer Wasser-Eissuspension mit 20% Eisanteil besteht.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Frischbetonzusammensetzung und Temperatur der Einsatzstoffe
    Einsatzstoffe Zusammensetzung [kg/m3] Temperatur [°C]
    Zement 160 40
    Hochofenschlacke 200 20
    Sand mit 7% Wasseranteil 1000 18
    Kies, Körnung 6 bis 16 mm und 16 bis 32 mm 900 18
    Wasser 120 20
    Rohdichte 2380
  • Im Vergleichsbeispiel 2 wurde ohne die erfindungsgemäße Kühlung eine Frischbetontemperatur von 20°C bei 20,5°C Wassertemperatur erreicht. Bei einer erfindungsgemäßen Kühlung wurde eine Wassertemperatur von 0°C und eine Wasser-Eissuspension mit einem Eisanteil von 20% erreicht. Bei einem Mischvolumen von 4,5 m3 und einer Wassermenge von 432 kg pro Mischung entsprach dies einer Eismenge von 108 kg. Die Mischzeit betrug 3 Minuten, die abzukühlende Wassermenge pro Stunde lag bei 10,8 m3/h. Dies entsprach einer Kälteleistung von 450 kW und einem LIN-Verbrauch von 4.640 kg/h. Dies entspricht einem spezifischen LIN-Verbrauch von 9,1 l flüssigem Stickstoff pro °C und m3 Beton. Dadurch wurde eine Frischbetontemperatur von 13,5°C erreicht.
  • Nachfolgend wird beschrieben, wie aufgrund einer Wärmebilanzrechnung eine Regelung der zuzugebenden Menge an flüssigem Stickstoff durchgeführt werden kann. Flüssiger Stickstoff weist einen Siedepunkt von 77,3 Calvin und eine Verdampfungsenthalpie von 198,6 kJ/kg bei Umgebungsdruck auf. Zudem kann flüs siger Stickstoff üblicherweise als Kältemittel eingesetzt werden, es wird nicht indirekt in einem Wärmetauscher verdampft sondern steht in direktem Kontakt mit der abzukühlenden Flüssigkeit. Die abzukühlende Flüssigkeit wird mit dem Kältemittel kontaminiert, so dass sich Stickstoff üblicherweise gut als Kältemittel eignet, da hier ein Inertgas vorliegt, welches üblicherweise nicht mit der abzukühlenden Flüssigkeit reagiert und oft, insbesondere auch bei Beton, zum überwiegenden Teil unproblematisch ausgast.
  • Mit flüssigem Stickstoff als Kältemittel können insbesondere unproblematisch abgekühlt werden: Prozesswasser, welches zur Herstellung von Beton verwendet wird, Schwefelsäure und/oder Laugen. Durch den direkten Eintrag von LIN in die abzukühlende Flüssigkeit 2, hier z. B. ein Prozesswasser, wird dem Wasser durch den verdampfenden Stickstoff direkt Wärme entzogen und das Wasser 2 damit abgekühlt. Der dabei entstehende gasförmige Stickstoff hat zunächst Siedetemperatur und steigt dann als Gasblasenschwarm im Wasser auf. Der Gasblasenschwarm erwärmt sich und kühlt das Wasser weiter ab. Die Temperatur des gasförmigen Stickstoffes gleicht sich an die des Wasserbades an und verlässt dieses bei ausreichender Höhe und somit ausreichender Verweilzeit mit der gleichen Temperatur wie die des Wasserbades. Eine möglichst gute Kühlwirkung wird erreicht, wenn der flüssige Stickstoff in Tropfenform möglichst gleichmäßig verteilt über den Querschnitt des Behälters 1 eingebracht wird. Der Tropfendurchmesser des flüssigen Stickstoffes wird vom Ausdrucksdurchmesser der Düsen 3 bestimmt. Hier wird bevorzugt ein Durchmesser der Düsen 3 von 1 bis 3 mm und ein Einsatz einer Mehr- bis Vielzahl von Einzeldüsen vorgeschlagen. Diese sind bevorzugt am Boden oder in der Nähe des Bodens des Behälters 1 angeordnet.
  • Radiale Austrittsgeschwindigkeiten liegen bevorzugt in Bereichen von 20 m/s und mehr. Die Anzahl der Düsen 3 richtet sich nach der erforderlichen maximalen Kälteleistung. Durch die verdampfenden Stickstofftropfen entsteht ein Gasblasen schwarm, der mit hoher Geschwindigkeit in der Flüssigkeitssäule aufsteigt. Durch diesen hochturbulenten Mischvorgang wird die Flüssigkeitstemperatur sowohl in axialer als auch in radialer Richtung schnell ausgeglichen. Versuche haben gezeigt, dass eine bevorzugte Wasserhöhe dem 1,5-fachen Behälterdurchmesser der mehr entspricht.
  • Dadurch wird die im LIN zur Verfügung stehende Kälteenergie optimal ausgenutzt. Die einzustellende Solltemperatur wird nicht nur über die Temperatur geregelt, sondern über die Wärmebilanz mittels Prozessrechner ermittelt. Die zum Abkühlen des Wassers 2 erforderliche LIN-Menge wird durch die Formel mLIN = k·mWasser·ΔT/C1berechnet. Dabei ist k ein Korrekturfaktor, der vor allem die Wandkälteverluste des Behälters berücksichtigt. k kann empirisch bestimmt werden. mWasser ist die Wassermenge in kg/h, in ΔT die Temperaturdifferenz in Wasser und C1(pT) = 83,3 Kelvin. Hierbei wird von einem Druck von 5 bar im flüssigen Stickstoff ausgegangen. Wird nach Erreichen der Eistemperatur weiterhin flüssiger Stickstoff in das 0°C kalte Wasser eingeleitet, entsteht schlagartig Eis in Form von Schneematsch und Eisstücken, die sich durch die intensive Bewegung im Wasser suspensionsartig verteilen.
  • Da die für eine bestimmte Eismenge benötigte LIN-Menge nicht mehr über die Temperatur geregelt werden kann, da die Temperatur des Wassers 2 unverändert bei 0°C liegt, wird in besonders bevorzugter Weise die dazu erforderliche LIN-Menge im Steuermittel nach der Formel mLIN = k·[(mWasser·T/C1+ xEis·mWasser/C2)] berechnet, mit einer geeigneten Messvorrichtung 18 ungemessen und mit einem entsprechenden Regelventil 15 entsprechend zugegeben wobei xEis der Anteil von Eis im Wasser ist und C2(p, T) = 1,05 beträgt bei einem Druck von 5 bar im Stickstofftank.
  • Damit ist es möglich, den Eisanteil im Wasser bei 0°C (Eistemperatur) über die zugegebene Menge an flüssigem Stickstoff einzustellen und so auf eine einfache Art und Weise die im Wasser bzw. der Wasser-Eissuspension zur Verfügung stehende Kälteenergie zu erhöhen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen in vorteilhaft einfacher Weise die Herstellung von gekühlten Flüssigkeiten, die beispielsweise als Prozesswasser bei der Frischbetonherstellung eingesetzt werden können. Hierbei wird der Enthalpiegehalt des Kältemittels, bevorzugt von flüssigem Stickstoff in guter Weise genutzt, in dem einerseits die Verdampfungsenthalpie und andererseits die Erwärmung des Stickstoffes nach der Verdampfung bis zur Eistemperatur zum Kühlen der Flüssigkeit eingesetzt wird.
    • 1
    Behälter
    2
    Flüssigkeit
    3
    Düse
    4
    Füllstandssensor
    5
    Gassammelraum
    6
    Gasabfuhrleitung
    7
    Erster Temperatursensor
    8
    Zuleitung
    9
    Autoabsperrventil
    10
    Zweiter Temperatursensor
    11
    Ableitung
    12
    Fördermittel
    13
    Absperrventil
    14
    Überströmventil
    15
    Regelventil
    16
    Dritter Temperatursensor
    17
    Steuermittel
    18
    Messvorrichtung
    19
    Ventil
    20
    Bypassleitung
    21
    Messerwerk

Claims (15)

  1. Verfahren zum Kühlen einer Flüssigkeit (2), bei dem ein Kältemittel umfassend ein kälteverflüssigtes Gas in die Flüssigkeit (2) eingeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das kälteverflüssigte Gas vollständig verdampft.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kältemittel in Tropfenform in die Flüssigkeit (2) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Tropfendurchmesser von 1 bis 3 mm vorliegen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kältemittel mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s (Meter pro Sekunde) und mehr in die Flüssigkeit (2) eingebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zuzugebende Menge an Kältemittel in Abhängigkeit von einem Anteil der Flüssigkeit, der gefroren ist, geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zuzugebende Menge Kältemittel mittels einer Wärmebilanzrechnung ermittelt wird.
  8. Vorrichtung (1) zum Kühlen einer Flüssigkeit (2), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: einen Behälter (1) zur Aufnahme der Flüssigkeit (2) und mindestens eine Düse (3) zur Zuführung eines ein kälteverflüssigtes Gas umfassendes Kältemittels in Tropfenform.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Düsen (3) einen Austrittsdurchmesser von 1 bis 3 mm (Millimeter) aufweisen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Behälter (1) einen Gassammelraum (5) mit Gasabfuhrleitung (6) umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit einer Fördereinrichtung (12) zur Förderung und/oder Umwälzung der Flüssigkeit (2).
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem die Fördereinrichtung (12) so mit dem Behälter (1) verbindbar ist, dass ein Flüssigkeitskreislauf ausbaubar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem der Fördereinrichtung (12) Mittel (21) zum Zerkleinern von gefrorener Flüssigkeit (2) zugeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiterhin umfassend Steuermittel (17) zum Regeln der Zufuhr von Kältemittel.
  15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 zum Kühlen von Frischbeton.
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