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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen
von Flaschen.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Zweck
einer Flaschenreinigungsmaschine ist die Reinigung von Mehrwegflaschen
und das Ablösen
der an den Flaschen angebrachten Etiketten. Als Hilfsmittel zur
Unterstützung
der Reinigungswirkung werden Chemikalienzusätze (z. B. 2% NaOH), mechanische
Energie in Form von Strömung
und Wasserdruck und Wärme
eingesetzt. Bei einer Reinigungsmitteltemperatur von über 80°C werden
produktschädliche
Keime an und in den Flaschen in einem Reinigungsbad abgetötet.
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Bei
heute gebräuchlichen
Flaschenreinigungsvorrichtungen erfolgt die Energiezufuhr zum Erwärmen des
Reinigungsbades durch Dampf oder Heißwasser als Energieträger, die
außerhalb
der Flaschenreinigungsvorrichtung erhitzt werden und in geschlossenen
Kreisläufen
ihre Energie mittels Bündelrohr-
oder Plattenwärmetauscher
an das Reinigungsmedium in der Flaschenreinigungsvorrichtung übertragen.
Die Energieträger
werden üblicherweise
in Dampf- oder Heißwassererzeugem
aufgeheizt, wobei zur Energiezufuhr Erdgas, Heizöl oder feste Brennstoffe eingesetzt
werden.
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Zur Übertragung
der Energie von der Erzeugungsstelle (Kesselhaus) zum Verbraucher
(Abfüllung)
sind weit verzweigte Rohrleitungssysteme notwendig, in denen der
Energieträger
mittels Eigendruck oder elektrischer Energie (Einsatz von Heißwasser-
oder Kondensatpumpen) gefördert
wird.
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Diese
Art der Energieversorgung von Flaschenreinigungsmaschinen führt zu diversen
Verlusten, z. B. Abgas- und Schornsteinverluste, Teillast-, Stillstands-
und Anfahrverluste, Absalzungs- und Abschlämmverluste, Ausdampfverluste
(Kondensat, Entgasung) und Abstrahlungsverluste am Kessel und im
Leistungsnetz.
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Neben
diesen Verlusten sind bei Flaschenreinigungsmaschinen entsprechend
dem Stand der Technik auch noch die Kosten für den Energietransport zu beachten.
Diese umfassen die Heißwasserförderung
und die Kondensatförderung,
jeweils mittels Pumpen, und die herkömmliche dezentrale Energieerzeugung.
Dazu kommen die Kosten für
die Gebäude
und die maschinentechnische Ausstattung, für Instandhaltungsmaßnahmen,
Isolierungsarbeiten und für
die Wasseraufbereitung und -enthärtung. Weiterhin
sind die Überwachungskosten
für die Druckbehälter und
für die
Emissionen zu beachten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen von Flaschen bereitzustellen,
das auf deutlich günstigerem
und einfacherem Weg zu gereinigten Flaschen führt.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird vom Gegenstand
der unabhängigen Patentansprüche 1 und
13 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu
finden.
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Insbesondere
wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum
Reinigen von Flaschen mit einer beheizen Reinigungsflüssigkeit umfassend
eine Heizvorrichtung mit einem Brenner, der einen Brennstoff unter
Abgabe eines Rauchgases verbrennt, Rauchgasrohre zur Abführung des heißen Rauchgases,
wobei die Rauchgasrohre als ein erster Wärmetauscher ausgebildet sind,
um die sie umgebende Reinigungsflüssigkeit zu beheizen, und einen
nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher für eine zweite
Flüssigkeit,
der das Rauchgas bis zur Kondensation, zumindest eines Teiles des
darin enthaltenen Wasserdampfs weiter abkühlt, um die zweite Flüssigkeit
unter Ausnützung
der im Wasserdampf des Rauchgases enthaltenen Kondensationswärme zu beheizen.
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Durch
eine solche Vorrichtung lassen sich gegenüber herkömmlicher Beheizung mit Dampf oder
Heißwasser
Absalzungs- und Abschlämmverluste,
Ausdampfverluste und Abstrahlungsverluste vollständig vermeiden, während sich
die Abgas- und Schornsteinverluste
und die Teillast-, Stillstands- und Anfahrverluste um ca. 98 Prozent
senken lassen. Weiterhin können
die Kosten für
den Energietransport, für
Isolierungsarbeiten, für
die Wasseraufbereitung und -enthärtung
und die Kosten für
die Überwachung
der Druckbehälter
und Emissionen vollständig eingespart
werden, während
sich die Kosten für
die Gebäude
und die maschinentechnische Ausstattung um 95 Prozent, und die Kosten
für die
Instandhaltungsmaßnahmen
um 98 Prozent senken lassen.
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Neben
dieser Vermeidung von Verlusten und Kosten liegt ein weiterer Vorteil
dieser Vorrichtung in der Verringerung des anlagetechnischen Aufbaus. Die
Vorrichtung ist gegenüber
dem Stand der Technik deutlich weniger komplex und weniger störanfällig konstruiert.
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Die
Vorrichtung kann weiterhin äußerst flexibel
betrieben werden. Der Brennstoff kann Erdgas sein, und das Rauchgas
besteht üblicherweise
im Wesentlichen aus CO2 und Wasserdampf.
Die Reinigungsflüssigkeit
enthält
meist Wasser und eine Lauge, z. B. NaOH. Genauso sind aber auch
andere Brenn- und Wirkstoffe möglich.
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Im
zweiten Wärmetauscher
wird bevorzugt das Rauchgas durch die Rauchgasrohre geführt, und eine
zweite Flüssigkeit
fließt
im Gegenstrom zum Rauchgas. Diese zweite Flüssigkeit kann z. B. für Sterilisierungszwecke
verwendet werden, vor allem, wenn es sich dabei um Trinkwasser handelt.
Durch diese weitere Ausnützung
der vorhandenen Energie wird der Wirkungsgrad weiter erhöht, und
die Vorrichtung damit noch kosteneffektiver.
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Mit
dieser Vorrichtung können
aber auch Etiketten von Flaschen entfernt werden. Dabei kann zusätzliche
mechanische Energie (z. B. Wasserdruck) zum Ablösen der Etiketten und/oder
Reinigen der Flaschen eingesetzt werden. Außerdem können die Flaschen von Getränkeresten
entleert und/oder klargespült
werden. Weiterhin kann eine Temperatursteuereinrichtung zur Einstellung
unterschiedlicher Reinigungstemperaturen vorgesehen sein. Die einstellbaren
Reinigungstemperaturen erlauben die Optimierung des Prozesses z.
B. in Hinblick auf unterschiedliche Zusammensetzungen der Medien
und Wirkstoffe oder zur Vermeidung von Glasbruch durch zu große Temperaturschocks.
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Ebenso
wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum
Reinigen von Flaschen mit einer beheizten Reinigungsflüssigkeit
umfassend ein Verbrennen eines Brennstoffes in einer Heizvorrichtung
mit einem Brenner unter Abgabe eines Rauchgases, ein Abführen des
heißen
Rauchgases durch Rauchgasrohre, wobei die Rauchgasrohre als ein
erster Wärmetauscher
ausgebildet sind, um die sie umgebende Reinigungsflüssigkeit
zu beheizen, und ein Leiten des Rauchgases in einen nachgeschalteten
zweiten Wärmetauscher,
für eine
zweite Flüssigkeit,
der das Rauchgas bis zur Kondensation, zumindest eines Teiles des
darin enthaltenen Wasserdampfs weiter abkühlt, um die zweite Flüssigkeit unter
Ausnützung
der im Wasserdampf des Rauchgases enthaltenen Kondensationswärme zu beheizen Wie
schon oben beschrieben, lassen sich durch ein solches Verfahren
die Absalzungs- und Abschlämmverluste,
die Ausdampfverluste und die Abstrahlungsverluste vollständig vermeiden,
während sich
die Abgas- und Schornsteinverluste und die Teillast-, Stillstands-
und Anfahrverluste um 98 Prozent senken lassen. Weiterhin können die
Kosten für den
Energietransport, für
Isolierungsarbeiten, für
die Wasseraufbereitung und -enthärtung,
für die Überwachung,
für die
Gebäude
und die maschinentechnische Ausstattung und für die Instandhaltungsmaßnahmen
fast vollständig
vermieden werden.
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Neben
dieser Vermeidung von Verlusten und Kosten liegt ein weiterer Vorteil
dieses Verfahrens in der Verringerung des anlagetechnischen Ausbaus. Das
Verfahren ist gegenüber
dem Stand der Technik deutlich weniger komplex und weniger störanfällig.
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Das
Verfahren ist weiterhin äußerst flexibel, auch
hier kann der Brennstoff Erdgas sein, und das Rauchgas besteht üblicherweise
aus CO2 und Wasserdampf. Die Reinigungsflüssigkeit
enthält
meist Wasser und eine Lauge, z. B. NaOH. Genauso sind aber auch
andere Medien, Brenn- und Wirkstoffe möglich.
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Im
zweiten Wärmetauscher
wird bevorzugt das Rauchgas durch die Rauchgasrohre gesaugt, und
eine zweite Flüssigkeit
fließt
im Gegenstrom zum Rauchgas. Diese die zweite Flüssigkeit kann z. B. für Sterilisierungszwecke
verwendet werden, vor allem, wenn es sich dabei um Trinkwasser handelt.
Es kann zum Beispiel die keimabtötende
Wirkung einer Flüssigkeit
mit über
80°C genutzt
werden, um produktionsschädliche
Keime abzutöten.
Durch diese weitere Ausnutzung der vorhandenen Energie wird der
Wirkungsgrad weiter erhöht,
und das Verfahren damit noch kosteneffektiver.
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Mit
diesem Verfahren können
aber auch Etiketten von Flaschen entfernt werden. Dabei kann zusätzliche
mechanische Energie zum Ablösen
der Etiketten und/oder Reinigen der Flaschen eingesetzt werden.
Außerdem
können
die Flaschen von Getränkeresten
entleert und/oder klargespült
werden. Weiterhin können
unterschiedlicher Reinigungstemperaturen in diesem Verfahren durch
eine Temperatursteuereinrichtung realisiert werden. Durch diese
beiden Maßnahmen
werden der Einsatzbereich und die Flexibilität des Verfahrens weiter erhöht.
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Die
Vorrichtung bzw. das Verfahren kann aber auch nur als Heizvorrichtung
bzw. Heizverfahren für
eine Flaschenreinigungsvorrichtung verwendet werden.
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4. Kurze Beschreibung der
begleitenden Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den begleitenden
Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
beispielhafte Installation des Brenners und der Rauchgasrohre, die
den ersten Wärmetauscher
bilden,
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2 ein
beispielhaftes Anlageschema der Flaschenreinigungsvorrichtung und
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3 ein
beispielhaftes Anlageschema eines Elements der Flaschenreinigungsvorrichtung.
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5. Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail
erläutert.
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Anhand
der 1 und 2 wird als erstes die Heizvorrichtung
mit dem Brenner 1 erläutert.
Die Heizvorrichtung mit dem Brenner 1 ist direkt in die Flaschenreinigungsmaschine
integriert und wird deshalb auch als Direktbeheizung bezeichnet.
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1 zeigt
eine beispielhafte Installation des Brenners 1 und der
Rauchgasrohre 3, die gleichzeitig den ersten Wärmetauscher 5 darstellen.
Dem ersten Wärmetauscher 5 ist
ein zweiter Wärmetauscher 9 nachgeordnet.
Die Rauchgasrohre 3 werden von einer Flüssigkeit 7 umgeben.
Wie in 1 und 2 gezeigt, dienen die Rauchgasrohre 3 dabei
als ein erster Wärmetauscher 5 und
geben einen Teil des Wärmeinhaltes
an das Umgebungsmedium, hier die Reinigungsflüssigkeit 7 (z. B.
2%ige NaOH) ab. Um stabile Verbrennungsbedingungen bei variablen
Medientemperaturen zu erzielen, werden bei diesem Brennertyp, im
Gegensatz zu sonstigen Heizungsanlagen, bei denen die Verbrennungsluft
in den Brennraum gedrückt
wird, die Rauchgase durch die Rauchgasrohre 3 gesaugt.
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Je
nach Laststufe des Brenners 1 und Temperatur der Reinigungsflüssigkeit 7 in
der Flaschenreinigungsmaschine verlassen die Rauchgase den ersten
Wärmetauscher 5 mit
einer Temperatur von 140°C
bis 190°C.
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Bei
der stöchiometrischen
Verbrennung von Erdgas entstehen folgende Produkte: CH4 + 2O2 -> 2H2O
+ CO2 + Wärme
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Das
gebildete Wasser wird üblicherweise
mit dem Rauchgas als latente Wärme
in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre abgegeben. Um die im Wasserdampf
enthaltene Kondensationswärme
energetisch nützen
zu können,
muss das Rauchgas in Abhängigkeit
des CO2-Gehalts des Rauchgases abgekühlt werden.
Bei Erdgas wird eine vollständige Kondensation
bei Temperaturen kleiner 53°C
erzielt.
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Die
hier verwendete Technologie wird auch als Brennwerttechnik bezeichnet.
Dabei wird der Energieinhalt des eingesetzten Brennstoffs nahezu
vollständig
genutzt. Der Unterschied zu konventionellen Heizanlagen besteht
darin, dass bei der Brennwerttechnologie auch die Kondensationswärme des
Wasserdampfes im Abgas genutzt wird und dadurch der verbrennungstechnische
Wirkungsgrad verbessert wird. Der zusätzliche Gewinn in Bezug auf
den Wirkungsgrad liegt in der Tatsache, dass die Abgastemperaturen
und somit die Abgasverluste erheblich niedriger ausfallen als bei
Beheizung ohne Brennwerttechnologie.
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Bei
der Brennwerttechnik werden teilweise heizwertbezogene Wirkungsgrade
von über
100% angegeben. Dabei wird unter "aufgewendeter Energie" der Heizwert des
Brennstoffes angesetzt. Der Heizwert berechnet sich jedoch aus der
insgesamt freiwerdenden Wärme
abzüglich
der Verdampfungswärme
für das
bei der Verbrennung entstehende Wasser. Der Heizwert beinhaltet
also nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie. Im Unterschied zum "konventionellen" Heizkessel wird
beim Brennwertkessel das Abgas soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung
verdampfte Wasser kondensiert. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme kommt der
Nutzenergie zugute. Wird der Wirkungsgrad nicht auf Basis des Heizwertes
sondern auf Basis des Brennwertes des Brennstoffes berechnet, wird
im Idealfall ein Wirkungsgrad von maximal 100% erreicht.
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Um
bei der Direktbeheizung der Flaschenreinigungsmaschine die Kondensation
des Wasserdampfs im Rauchgas zu erzielen, wird dem ersten Wärmetauscher 5 ein
zweiter Wärmetauscher 9 (siehe 2)
nachgeschaltet. Der ersten Wärmetauscher 5 beinhaltet
Rauchgasrohre 3. Der zweite Wärmetauscher 9 weist üblicherweise
einen Abgaseintritt vom Brenner 1, einen Abgasaustritt
zum Kamin 93, einen Anlagenvorlauf 95 (heißes Medium)
und einen Anlagenrücklauf 97 (kaltes
Medium) auf. Der Brenner 1 wird mit Luft 11 und
Erdgas 12 versorgt. Um eine sichere Kondensation des Wasserdampfs
im Rauchgas zu erreichen, wird z. B. Trinkwasser direkt aus dem
Leitungsnetz entnommen und im Gegenstrom durch das Rauchgas erwärmt. Dabei
liegt die Eintrittstemperatur des Wassers z. B. zwischen 10°C und 13°C, und die
Austrittstemperatur des Wassers, welche mit Zuhilfenahme eines Reglers
die Zulaufwassermenge Kalt 97 in Abhängigkeit der Rauchgasaustrittstemperatur 93 einstellen
kann, zwischen z. B. 80°C
und 82°C
(wie in 2 und 3 dargestellt). Das
erhitze Wasser kann dann direkt zu Sterilisationszwecken im Prozess
eingesetzt werden.
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Durch
die gezielte Kondensation der Rauchgase ergibt sich für eine Flaschenreinigungsmaschine
mit direkter Erdgasfeuerung und nachgeschalteter Brennwerttechnik
ein auf den untern Heizwert bezogener Wirkungsgrad von über 100%.
Die im Stand der Technik aufgeführten
Energieverluste reduzieren sich durch Nachrüstung einer Direktbeheizung
mit Brennwerttechnik um 90 bis 100 Prozent.