DE102009022400B4

DE102009022400B4 - Vorrichtung mit einer Folie zum Aufwachsen und Ablösen von Substanzen mittels thermischer Energie

Info

Publication number: DE102009022400B4
Application number: DE200910022400
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2029-05-23
Also published as: DE102009022400A1

Abstract

Vorrichtung zum Aufwuchs und Ablösen von Substanzenschichten, umfassend einen thermisch leitenden Körper mit Deckflächen (2), der als Quader mit mindestens einer konkav ausgestalteten Deckfläche (2) ausgebildet ist, oder der als Zylinder (11) ausgestaltet ist, wobei auf die Deckflächen (2) des thermisch leitenden Körpers eine Folie (3, 13) so aufgelegt ist, dass sie mit den Seitenflächen (6) des Körpers bündig abschließt und an diesen beim Quader mittels Leisten (7) oder Verschweißen und beim Zylinder (11) mittels umlaufender Ringe (16) oder Verschweißen abdichtend fixiert ist und wobei beim Zylinder (11) das Folienende längs des Zylinders (11) mit dem Folienanfang verbunden ist und hier mindestens eine Überlappung vorhanden ist, wobei der Zwischenraum zwischen Folie (3, 13) und abgedeckter Körperfläche durch einen Kanal (10, 17) mit einer Öffnung, welche sich außerhalb der überdeckten Körperfläche befindet, verbunden ist, so dass über den Kanal (10, 17) ein Medium in den Zwischenraum eingeleitet und wieder ausgeleitet werden kann, wobei durch Medieneinleitung ein Anheben der Folie (3, 13) und durch Medienausleitung ein Absenken der Folie (3, 13) bewirkt wird, so dass die Folie eine Beugung erfährt, die zum Ablösen der aufgewachsenen Ablagerungen führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die den Aufwuchs und das Ablösen von Substanzen oder deren Mischungen wie Trockeneis, Eis und andere ermöglicht, wobei ausgehend von einer thermischen Energiequelle eine Folie mit thermischer Energie versorgt wird oder selbst zum Entwickeln von thermischer Energie angeregt wird, wobei je nach Anforderung auf der Folie Substanzen zum Erstarren oder zum Verdampfen kommen und wobei beim Erstarren die Substanzen an der Folienoberfläche haften oder beim Verdampfen Ablagerungen wie Kalk sich an der Folienoberfläche niederschlagen, die von dieser abgelöst werden, indem die Folie eine Beugung erfährt, was zum Absplittern der aufgewachsenen Ablagerungen führt.
Es ist bekannt, dass sich durch thermische Einflüsse Substanzen wie Eis, Kalk und andere an Oberflächen ab- und anlagern und haften, die meist nur durch Schrubben, Schaben und andere Maßnahmen von der Oberfläche abgelöst werden können.
Bei der Herstellung von Scherben- oder Schuppeneis finden überwiegend Vorrichtungen Verwendung, bei denen Wasser auf einer kalten rotierenden Walze oder in einer kalten feststehenden Trommel angefroren wird, wobei das auf der rotierenden Walze haftende Eis anschließend mittels feststehendem Schabemesser von der Oberfläche abgeschabt wird oder die in der Trommel angefrorene Eisschicht durch in die Trommel eingeführte rotierende Schabemesser abgelöst wird.
Nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtungen, dass über die Dreheinführung Kältemittel in die rotierende Walze eingeleitet wird, dadurch die Dreheinführung mechanisch aufwendig ausgestaltet ist und sich das integrierte Dichtungssystem verschleißt, was einen Kältemittelverlust mit sich bringt. Der Walzenmantel besteht vorwiegend aus Metallen, meist Aluminium, während der Kern aus Kunststoffen besteht und somit das Walzensystem aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist, was unterschiedliche Materialausdehnungen und folglich Undichtigkeiten mit sich bringt.
Bei Vorrichtungen, welche in der Trommel mit einem eingeführtem Schaber arbeiten, erfolgt die Führung des Schabers durch Lager, welche ihrerseits Zusätze wie Öl oder Fett mit sich führen, was oft Verunreinigungen im Eis mit sich bringt und wobei andererseits die Lager aufgrund der tiefen Temperaturen hohem Verschleiß ausgesetzt sind. Des Weiteren nutzen sich die Schabemesser in kurzer Zeit ab und unterliegen einer häufigen Wartung.
Bei der Heißwasserbereitung finden überwiegend Behälter Verwendung, in denen das Wasser entweder durch die in diesen verlaufenden Rohre oder durch die in den Behälter eingeführten elektrischen Heizwendeln erhitzt wird, was das Ausfällen von Kalk, also Kalziumkarbonat und -sulfat, verursacht, der sich auf der erhitzten Oberfläche anlagert.
Dabei tritt das Problem auf, dass durch die Kalkablagerungen ein Wärmeverlust erfolgt und die Aufheizgeschwindigkeit für das Wasser herabgesetzt ist. Neben diesen Verlusten entsteht in der Heizwendel eine Temperaturerhöhung, die in der Regel zum Zerstören derselben führt. Von Nachteil ist auch, dass die Kalkablagerungen oft nur chemisch oder durch Schrubben entfernt und oft aufgrund der unzureichenden Zugänglichkeit gar nicht entfernt werden können.
Bei einer Methode zur Herstellung von Trockeneis wird Kohlendioxid gekühlt, wobei bei Unterschreiten des Gefrierpunktes dasselbe an der gekühlten Oberfläche haftet. Dies geschieht ebenso beim Kühlen von anderen Substanzen und Mischungen, die bei Prozessen entstehen und aus Umwelt-, Gesundheits- und anderen Gründen rückgewonnen werden. Die an den kühlen Oberflächen haftenden Substanzen oder Mischungen müssen durch Schaben wieder abgelöst werden.
Dabei tritt das Problem auf, dass wie bei der Trockeneisherstellung ein Abschaben des Eises bei der relativ tiefen Temperatur von –79°C erfolgt, was zu Materialermüdung mit entsprechenden Folgen, wie z. B. Passungenauigkeit des Schabers führt. Aus diesem Grund wird bei derart tiefen Temperaturen in der Regel von anderen Verfahren Gebrauch gemacht, die aus wirtschaftlichen Gründen überwiegend nur bei Großanlagen vorzufinden sind.
Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen ist, dass die an der Oberfläche haftenden An- und Ablagerungen meist nur durch mechanische Arbeit wie durch rotierende Schaber oder Hämmer abgelöst werden können. Dabei unterliegt der eingesetzte Mechanismus einer erheblichen Abnutzung und damit einhergehend einem hohen Wartungsaufwand. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energiebedarf, der durch die rotierenden Mechanismen wie Schaber, Walze usw. bedingt ist.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik ist der Verdampfer aus der Patentschrift DE 10 2004 056 409 B3 . Dieser verfügt jedoch über keine Folie. In der Patentschrift US 2 445 471 A ist ein Wärmetauscher bestehend aus einem Stahlblech mit längsgerichteten Wölbungen gezeigt, wobei für das Stahlblech jedoch eine starre Anordnung vorgesehen ist. In der Patentschrift DE 606 028 A ist ein Wärmetauscher mit gewölbten Folienflächen gezeigt, bei dem sich jedoch die Ablagerungen auf der Innenseite der Folien bilden. In der Patentschrift US 5 367 605 A ist ein Warmwasserboiler mit flexiblen Wänden gezeigt, wobei die Wände jedoch aus Kunststoff hergestellt sind. In der Offenlegungsschrift DE 26 11 851 A1 ist eine elektrische Wassererhitzvorrichtung vom Durchlauftyp gezeigt, bei der jedoch das zu erwärmende Fluid innerhalb des Wärmetauscherrohres strömt.
In der Offenlegungsschrift DE 21 31 242 A ist ein Heizelement für Warmwassererzeuger beschrieben, bei dem eine elastisch verformbare Membrane zur Wärmeübertragung an das Wasser dient. Diese Membrane umgibt allerdings einen Gasraum mit einer darin enthaltenen Heizwendel. Die Wärme der Heizwendel wird mittelbar an den Membrankörper abgegeben, dieser seinerseits gibt die Wärme an das Wasser ab.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, durch eine Vorrichtung bei Substanzen wie Gas eine Aggregatszustandsänderung herbei zu führen, welche durch thermischen Einfluss bewirkt wird, wobei sich die jeweilige Substanz auf einer Folienoberfläche niederschlägt, was beim Kühlen von Wasser als Eis, beim Kühlen von Kohlenstoffdioxid als Trockeneis, oder beim Kühlen von anderen Gasen als andere Eisschicht geschieht, oder wobei beim Erhitzen einer Substanz Bestandteile ausgefällt werden, wie z. B. aus dem Wasser Kalk, die sich an die Folienoberfläche anlagern, und wobei jeweils die entstandenen Schichten von der Folienoberfläche mit geringer mechanischer Arbeit durch Beugen der Folie abgeplatzt werden. Damit einhergehend soll ein verbesserter Wirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie die Verwendung dieser Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 2 gelöst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Ausführungsform dadurch gelöst, dass auf einem thermisch leitenden Quader oder Zylinder, die als hydrothermische oder elektrothermische Energiequelle oder Kältequelle genutzt werden, eine Folie so aufgelegt ist, dass ihre Enden jeweils mit den Seitenflächen des Quaders oder Zylinders fest verbunden und abgedichtet sind.
Die Kälte oder Wärme, die auf der Quader- oder der Zylinderoberfläche bereit steht, wird auf die Folie abgeleitet, wobei die außerhalb mit der Folie in Kontakt tretende Substanz oder deren Mischung eine Temperaturänderung erfährt, was zu einer Aggregatszustandsänderung derselben führt, und wobei die Folienoberfläche von der erstarrten anhaftenden Schicht dadurch befreit werden kann, dass diese eine Beugung erfährt, was zum Absplittern der aufgewachsenen Schicht führt. Erfindungsgemäß erfolgt die Verformung der Folie durch das Abheben und durch die Wölbung derselben vom Quader oder vom Zylinder, wobei zwischen der Folie und dem Körper Gas eingeleitet wird. Nach Erfordernis finden Gase wie trockene Luft, Stickstoff, Kältemittel oder andere Verwendung.
Dabei bildet bevorzugt die Folie an den Kanten der Deckfläche des Quaders, die konkav ausgestaltet ist, einen Balg bzw. dabei ist beim Zylinder die Überlappung von Folienende und Folienanfang ebenso wie der Folienübergang an den Zylinderenden als Balg ausgestaltet, womit die Folie den Charakter einer Membrane erhält.
Ebenfalls bevorzugt finden Folien aus Edelstählen oder legierten Stählen wie z. B. V2A, Titan und andere Verwendung, die auch die längerfristige Eisherstellung aus Salzwasser ermöglichen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass bei der Herstellung von Brucheis (Scherben- oder Schuppeneis) die Dreheinführung entfällt und damit einem Kältemittelverlust, der eine Umweltbelastung mit sich bringt, vorgebeugt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Ablösearbeit der haftenden Schicht minimiert ist und dadurch ein verbesserter Nutzwirkungsgrad erzielt wird.
Ebenfalls von Vorteil ist, dass eine Verunreinigung durch Öl, Fett und andere Substanzen dadurch vermieden wird, dass drehende Teile, unter anderem Schaber, entfallen.
Ebenfalls vorteilhaft ist, dass thermische Verluste, die bei Ablagerungen von Kalk auftreten, minimierbar sind, da eine Abreinigung der unerwünschten Kalkschicht mit geringem energetischem Aufwand ermöglicht wird. Ein Ausbauen des Heizungssystems zur Reinigung ist nicht erforderlich, da bereits bei geringer Beugung der Folie ein Abplatzen des Kalks erfolgt. Bei Verwendung von Folien, deren Längenausdehnungskoeffizient zum Kalk stark differiert, ist eine automatische Abreinigung bei Temperaturänderungen gegeben. Zudem entfällt eine umweltbelastende chemische Abreinigung.
Anwendungen und Einsatzgebiete der oben benannten Erfindung und ihrer Ausgestaltungen sind unter anderem die Herstellung von Trockeneis, das aus Kohlenstoffdioxid gewonnen wird, oder Brucheis, das aus Wasser gewonnen wird, oder das Rückgewinnen von Gasen wie beispielsweise bei weineigenem Kohlenstoffdioxid, welches insbesondere aus Gärgasen entsteht und als Trockeneis und weineigenes Entektikum, eine Mischung von Kohlenstoffdioxid und weiteren Substanzen, gewonnen wird.
Eine andere Nutzung ist das unproblematische Abreinigen von Kalkschichten, die unter anderem bei Dampfgargeräten, Boiler und anderen Geräten auftreten und entfernt werden müssen.
Die erste Ausführungsform der Erfindung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Es zeigen:
1 beispielhaft eine Vorrichtung für die Erzeugung von Brucheis.
2 beispielhaft eine Anordnung der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserdampf.
1 zeigt die Vorrichtung als Quader mit bikonkaven Deckflächen, welcher quer geschnitten ist.
Der Verdampfer 1, der als Quader mit bikonkaven Deckflächen 2 ausgestaltet ist, ist von einer Folie 3 abgedeckt, wobei an den Kanten 4 des Verdampfers 1 die Folie 3 als Balg 5 ausgestaltet ist. Die Enden der Folie 3 liegen bündig an den Seitenflächen 6 des Verdampfers 1 an und sind mittels Leisten 7 an den Verdampfer 1 abdichtend fixiert. Der Verdampfer 1 wird mit thermischer Energie versorgt, welche über die Druckleitung 8 und die Saugleitung 9 in den Verdampfer 1 ein- und ausgeleitet wird. Die vom Verdampfer 1 bereitgestellte Wärme wird auf die eng anliegende Folie 3 abgeleitet. Diese Wärme wird an die außerhalb mit der Folie 3 in Kontakt tretenden Substanzen oder deren Mischungen abgegeben. Der Raum zwischen den bikonkav ausgestalteten Deckflächen 2 des Verdampfers 1 und der Folie 3 ist über den Kanal 10 mit der Umgebung außerhalb des abgedeckten Verdampfers 1 verbunden. Über den Kanal 10 kann ein Medium wie bspw. Gas in den Zwischenraum eingeleitet werden, was ein Anheben und beim Ausleiten ein Absenken der Folie 3 bewirkt.
Während 1 beispielhaft den Aufbau der Vorrichtung bei einem Quader mit bikonkaven Deckflächen zeigt, ist in 2 in Perspektive der Aufbau der Vorrichtung bei einem an den Enden geschnittenen Zylinder dargestellt.
In einem thermisch leitenden Zylinder 11 ist im Kern ein elektrothermischer Wandler eingebettet, welcher als Heizpatrone 12 ausgestaltet ist. Der Zylinder 11 ist mit einer Folie 13 ummantelt. An mehreren Stellen längsseits des Zylinders 11 ist die Folie 13 als Balg 14 ausgestaltet.
Die beiden Abschnittsenden der Folie 13 sind ebenso als Balg 15 ausgestaltet und durch Spannringe 16, die die Enden der Folie 13 an den Zylinder 11 fixieren, mit diesem abdichtend verbunden. Über einen Kanal 17 ist der Zwischenraum zwischen der Deckfläche des Zylinders 11 und der Folie 13 mit der Öffnung, welche sich außerhalb der überdeckten Zylinderoberfläche befindet, verbunden. Über den Kanal 17 wird durch Medieneinleitung ein Anheben der Folie 13 und bei Medienausleitung ein Absenken der Folie 13 bewirkt.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer
2: Deckfläche
3: Folie
4: Kante
5: Balg
6: Seitenflächen
7: Leisten
8: Druckleitung
9: Saugleitung
10: Kanal
11: Zylinder
12: Heizpatrone
13: Folie
14: Balg
15: Balg
16: Spannring
17: Kanal

Claims

Vorrichtung zum Aufwuchs und Ablösen von Substanzenschichten, umfassend einen thermisch leitenden Körper mit Deckflächen (2), der als Quader mit mindestens einer konkav ausgestalteten Deckfläche (2) ausgebildet ist, oder der als Zylinder (11) ausgestaltet ist, wobei auf die Deckflächen (2) des thermisch leitenden Körpers eine Folie (3, 13) so aufgelegt ist, dass sie mit den Seitenflächen (6) des Körpers bündig abschließt und an diesen beim Quader mittels Leisten (7) oder Verschweißen und beim Zylinder (11) mittels umlaufender Ringe (16) oder Verschweißen abdichtend fixiert ist und wobei beim Zylinder (11) das Folienende längs des Zylinders (11) mit dem Folienanfang verbunden ist und hier mindestens eine Überlappung vorhanden ist, wobei der Zwischenraum zwischen Folie (3, 13) und abgedeckter Körperfläche durch einen Kanal (10, 17) mit einer Öffnung, welche sich außerhalb der überdeckten Körperfläche befindet, verbunden ist, so dass über den Kanal (10, 17) ein Medium in den Zwischenraum eingeleitet und wieder ausgeleitet werden kann, wobei durch Medieneinleitung ein Anheben der Folie (3, 13) und durch Medienausleitung ein Absenken der Folie (3, 13) bewirkt wird, so dass die Folie eine Beugung erfährt, die zum Ablösen der aufgewachsenen Ablagerungen führt.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Trockeneis, das aus Kohlenstoffdioxid gewonnen wird, oder Brucheis, das aus Wasser gewonnen wird, oder das Rückgewinnen von Gasen wie beispielsweise bei weineigenem Kohlenstoffdioxid, welches insbesondere aus Gärgasen entsteht.