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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gefrierentsalzung eines Salzwassers sowie ein Verfahren zum Erfassen einer Oberflächentemperatur eines bei einer Gefrierentsalzung eines Salzwassers gebildeten Eises.
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Von großer aktueller und zukünftiger Bedeutung ist der Zugang zu sauberen Süßwasser. Hierbei besteht das Problem, dass nur ein äußerst geringer Anteil aller verfügbaren Wassermengen der Erde Süßwasser sind. Zudem ist ein großer Anteil des zur Verfügung stehenden Süßwassers nicht zugänglich und daher nicht verwertbar oder nutzbar. Salzwasser ist hingegen, größtenteils in den Ozeanen, in ausreichend großen Mengen vorhanden. Es ist daher erstrebenswert effiziente Verfahren zur Entsalzung von Salzwasser bereitzustellen.
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Zur Entsalzung von Salzwasser gibt es eine Mehrzahl bekannter Verfahren, die typischerweise einen hohen Energiebedarf aufweisen, sodass es von besonderer Bedeutung ist, die energetische Effizienz der bekannten Verfahren zu verbessern. Die am häufigsten angewandten Verfahren sind Umkehrosmose, Membrandestillation und Verfahren mittels einer mehrstufigen Entspannungsverdampfung. Weitere nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren verwenden eine Elektrodialyse oder ein Gefrierverfahren, bei dem das Salzwasser gefroren und somit der Salzgehalt im gefrorenen Anteil (Eis) reduziert wird.
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Beim Gefrierverfahren wird typischerweise ein Kühlmittel in indirektem thermischen Kontakt mit dem Salzwasser gebracht. Hierbei wird das Salzwasser über seinen Gefrierpunkt abgekühlt, sodass es zur Bildung von salzärmeren oder salzfreien Eiskristallen kommt. Die Eiskristalle werden dann vom restlichen bezüglich seiner Salzkonzentration aufkonzentrierten Salzwasser (Sol) abgetrennt. Entsprechend kann die Salzkonzentration der Eiskristalle und somit die Salzkonzentration des aus den Eiskristallen resultierenden Produktwassers (Frischwasser/Süßwasser) reduziert werden.
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Allerdings besteht bei bekannten Gefrierverfahren zur Entsalzung (Gefrierentsalzung) der Nachteil, dass das Wachstum der Eiskristalle, das heißt das Wachstum des Eises, nur ungenügend regelbar ist. Das ist deshalb von Nachteil, da die Effektivität der Entsalzung des Salzwassers und somit auch die energetische Effizienz von der Rate des Wachstums des Eises abhängig ist. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass die Gefrierentsalzung effizienter ist, je langsamer das Salzwasser gefroren wird.
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Nach dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Gefrierentsalzung verwenden typischerweise einen Wärmeübertrager, der eine Mehrzahl von Rohrleitungen aufweist, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Hierbei wird die Vorlauftemperatur des Kühlmittels, das heißt die Temperatur des Kühlmittels vor einem thermischen Kontakt mit dem Salzwasser, konstant gehalten. Dadurch erfolgt, insbesondere zum Beginn des Gefrierens des Salzwassers, eine starke Unterkühlung des Salzwassers, sodass die hierbei gebildeten Eiskristalle aufgrund von Salzeinschlüssen eine erhöhte Salzkonzentration aufweisen. Weiterhin verändert sich die Temperatur um die Rohrleitungen beim Wachstum des um die Rohrleitungen gebildeten Eises.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gefrierentsalzung von Salzwasser bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 7 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gefrierentsalzung eines Salzwassers, insbesondere Meerwasser, weist eine elektrische Maschine, einen Temperatursensor und einen Wärmeübertrager, der wenigstens eine von einem Kühlmittel durchströmbare Rohrleitung umfasst, auf. Erfindungsgemäß ist der Temperatursensor zum Erfassen einer Oberflächentemperatur eines um die Rohrleitung gebildeten Eises zu einer Oberfläche des gebildeten Eises hinführbar und von dieser zurückführbar.
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Hierbei werden die durch das wenigstens teilweise Gefrieren des Salzwassers gebildeten Eiskristalle als gebildetes Eis bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist der Temperatursensor zur Oberfläche des gebildeten Eises hinführbar und von dieser zurückführbar. Dadurch wird vorteilhafterweise eine räumliche Bewegung des Temperatursensors relativ zur Oberfläche des gebildeten Eises ermöglicht, die den Abstand des Temperatursensors zur Oberfläche des gebildeten Eises verändert. Das ist deshalb von Vorteil, da dadurch der Temperatursensor dem Wachstum des Eises folgen kann. Mit anderen Worten wird der Temperatursensor durch das anwachsende Eis nicht erfasst oder umfasst, sodass stets die Oberflächentemperatur des gebildeten Eises durch den Temperatursensor erfasst werden kann. Würde der Temperatursensor, wie im Stand der Technik, von dem gebildeten anwachsenden Eis erfasst und umwachsen werden, so befindet sich der Temperatursensor und somit seine Messstelle innerhalb des Eises. Dadurch wird es unmöglich die Temperatur der Oberfläche des Eises (Oberflächentemperatur), die für die Effektivität der Entsalzung des Salzwassers von besonderer Bedeutung ist, zu erfassen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, sodass die Effektivität der Entsalzung sowie ihre energetische Effizienz gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es daher, die Oberflächentemperatur des gebildeten Eises unabhängig von seinem Wachstum oder von der Rate des Wachstums zu erfassen. Hierbei kann der Temperatursensor durch seine Verfahrbarkeit relativ zur Oberfläche des gebildeten Eises direkt auf die Oberfläche des Eises geführt werden oder in einem annähernd konstanten Abstand zur Oberfläche des gebildeten Eises verbleiben. Dadurch bleiben die äußerlichen Umstände der Erfassung der Oberflächentemperatur bei jeder Messung gleich. Weiterhin wird das Einwachsen des Temperatursensors verhindert. Der Temperatursensor kann in bestimmten zeitlichen Abständen (Zeitintervalle) zur Oberfläche des gebildeten Eises hingeführt oder von dieser zurückgeführt werden. Es ist daher eine zeitlich diskrete oder eine zeitlich kontinuierliche Messung der Oberflächentemperatur vorgesehen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen einer Oberflächentemperatur eines bei einer Gefrierentsalzung eines Salzwassers um eine Rohrleitung gebildeten Eises wird eine elektrische Maschine, ein Temperatursensor und ein Wärmeübertrager, der wenigstens eine von einem Kühlmittel durchströmte Rohrleitung aufweist, bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird der Temperatursensor zum Erfassen der Oberflächentemperatur zu einer Oberfläche des gebildeten Eises hingeführt oder von dieser zurückgeführt.
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Es ergeben sich zur bereits genannten erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine als elektrischer Motor mit einem Rotor ausgebildet, wobei der Temperatursensor mittels einer drehmomentschlüssigen Kopplung mit dem Rotor gekoppelt ist.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein effizientes Hinführen und Zurückführen des Temperatursensor ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist es die Kopplung als Hebelarm auszubilden, wobei der Temperatursensor am Hebelarm angeordnet ist.
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Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise die Rotation des elektrischen Motors und dessen Rotors in eine kreissegmentartige Bewegung des Hebelarmes übersetzt. Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor am Hebelarm angeordnet, sodass dieser der Bewegung des Hebelarmes folgt. Dadurch kann der Temperatursensor zur Oberfläche des gebildeten Eises hingeführt und von dieser zurückgeführt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Steuervorrichtung, wobei mittels der Steuervorrichtung das Hinführen und Zurückführen des Temperatursensors steuerbar ist.
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Vorteilhafterweise kann dadurch das Hinführen und Zurückführen des Temperatursensors automatisiert werden. Die Steuervorrichtung ermöglicht es den Temperatursensor zur Oberfläche des gebildeten Eises zu bestimmten Zeitpunkten hinzuführen oder zurückzuführen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung auch als Regelvorrichtung ausgebildet sein, wobei die Regelung derart erfolgen kann, dass der Abstand des Temperatursensors zur Oberfläche des gebildeten Eises annähernd konstant verbleibt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Messung der Oberflächentemperatur des gebildeten Eises mittels des Temperatursensors möglichst geringfügig durch das Wachstum des Eises gestört oder beeinflusst.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Regelungsvorrichtung, wobei mittels der Regelungsvorrichtung eine Vorlauftemperatur des die Rohrleitung durchströmenden Kühlmittels in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur regelbar ist.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Vorlauftemperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur des gebildeten Eises angepasst, verändert oder eingestellt werden. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur die Vorlauftemperatur geregelt werden. Dadurch wird vorteilhafterweise die Effektivität der Gefrierentsalzung des Salzwassers verbessert. Weiterhin kann durch die Regelung der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur des gebildeten Eises ein kontrolliertes Wachstum des Eises erfolgen. Als Vorlauftemperatur wird hierbei die Temperatur des Kühlmittels bezeichnet, die vor einem ersten thermischen Kontakt des Kühlmittels mit dem zu entsalzenden Salzwasser vorliegt oder eingestellt ist. Typischerweise ist die Vorlauftemperatur des Kühlmittels durch seine Temperatur beim Eingang in die Gefrierentsalzung gegeben.
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Die erfasste Oberflächentemperatur des gebildeten Eises, das heißt die vom Temperatursensor erfasste Temperatur der äußersten Schicht des gebildeten Eises, wird somit zur Regelung der Vorlauftemperatur bei der Gefrierentsalzung verwendet.
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Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorlauftemperatur derart geregelt wird, dass die erfasste Oberflächentemperatur nur geringfügig, das heißt im Bereich von etwa 0,1 Grad Celsius bis 0,3 Grad Celsius, unter der Gefriertemperatur des zu entsalzenden Salzwassers liegt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders bevorzugtes langsames Wachstum des Eises sichergestellt, wodurch die Effektivität der Gefrierentsalzung deutlich gesteigert werden kann. Zur Regelung der Vorlauftemperatur wird folglich die aktuelle Gefriertemperatur des Salzwassers berücksichtigt. Als aktuelle Gefriertemperatur wird hierbei die Temperatur bezeichnet, die ein Gefrieren des Salzwassers an der Oberfläche des bereits gebildeten Eises ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen weiteren Sensor auf, der insbesondere zur Erfassung eines Salzgehaltes des gebildeten Eises vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise können weitere Sensoren mit der elektrischen Maschine verbunden und gekoppelt sein. Dadurch können weitere physikalische Größen über den Zustand des gebildeten Eises, insbesondere über seine Oberfläche, erfasst werden. Weitere Sensoren, beispielsweise zur Erfassung der Dicke des gebildeten Eises um die Rohrleitung und/oder die Bestimmung der Masse des gebildeten Eises mit einer volumetrischen SOC-Messung (engl. State of Charge, abgekürzt SOC), die auf Dichteänderung von Wasser und Eis basiert, können vorgesehen sein. Hierbei kann das gebildete Eis mittels eines Eisspeichers gespeichert werden. Durch den Dichteunterschied von Wasser (etwa 1000 Kilogramm pro Kubikmeter) und Eis (etwa 920 Kilogramm pro Kubikmeter) kommt es bei der Bildung des Eises zu einer Volumenausdehnung. Diese kann mit einem Schwimmer und/oder Drucksensor erfasst werden. Dadurch kann der Ladezustand (SOC) des Eisspeichers bestimmt werden.
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Außerdem ist ein weiterer Sensor an einem Ende des Wärmeübertragers zweckmäßig, um Temperaturgradienten entlang des Wärmeübertragers festzustellen und zu einer vorteilhaften Anpassung der Eiskristallisation zu verwenden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen Regelung einer Vorlauftemperatur eines Kühlmittels.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 eine elektrische Maschine 2, die als elektrischer Motor ausgebildet ist, einen Temperatursensor 4 sowie einen Wärmeübertrager mit wenigstens einer Rohrleitung 6. Die Rohrleitung 6 ist zur Kühlung des Salzwassers, insbesondere von Meerwasser, vorgesehen, wobei das Salzwasser unterhalb seines Gefrierpunktes abgekühlt wird. Hierzu strömt im Inneren der Rohrleitung 6 ein Kühlmittel, das die Rohrleitung 6 und somit das die Rohrleitung 6 umgebende Salzwasser derart abkühlt, dass dieses an einer äußeren Oberfläche der Rohrleitung 6 wenigstens teilweise gefriert und eine im dargestellten Schnitt annähernd ringförmige Schicht aus Eis 8 ausbildet. Das gebildete Eis weist ferner eine äußere Oberfläche 100 auf.
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Der Temperatursensor 4 ist mittels eines Hebelarmes 10 mit der elektrischen Maschine 2, insbesondere mit dem elektrischen Motor, drehmomentschlüssig gekoppelt. Die elektrische Maschine 2 ermöglicht ein Hinführen und Zurückführen des Temperatursensors 4, wobei die Bewegung oder die Verfahrbarkeit über den Hebelarm 10, der mit der elektrischen Maschine 2 gekoppelt ist, ermöglicht wird. Mit anderen Worten wird der Temperatursensor 4 über den Hebelarm 10 zur Oberfläche 100 des gebildeten Eises 8 hingeführt oder von dieser zurückgeführt. Das Hinführen beziehungsweise Zurückführen des Hebelarmes 10 und somit auch des Temperatursensors 4 ist durch den einem Kreissegment folgenden Doppelpfeil 102 verdeutlicht. Hierbei führt der Temperatursensor 4 eine kreissegmentförmige Bewegung aus, das heißt der Schwerpunkt des Temperatursensors 4 verläuft entlang des Kreissegmentes, das durch den Doppelpfeil 102 angedeutet ist.
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Durch das Hinführen und Zurückführen des Temperatursensors 4 wird sichergestellt, dass dieser nicht vom gebildeten Eis 8 umwachsen wird. Weiterhin kann der Temperatursensor 4 nur zu bestimmten Zeitpunkten zur äußeren Oberfläche 100 des gebildeten Eises 8 hingeführt werden. Die elektrische Maschine 2 kann mittels einer nicht dargestellten Steuervorrichtung gesteuert werden, sodass das Hinführen und Zurückführen des Temperatursensors 4 steuerbar ist.
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Erfindungsgemäß ermöglicht es daher die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 die Oberflächentemperatur der Oberfläche 100 des gebildeten Eises 8 mittels des Temperatursensors 4 zu erfassen, ohne dass dieser vom anwachsenden Eis erfasst oder gar umwachsen wird.
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In 2 ist ein exemplarisches Blockschema zur Regelung der Vorlauftemperatur des die Rohrleitung (vgl. 1) durchströmenden Kühlmittels dargestellt. Die Regelung lässt sich auf die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 anwenden.
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In einem ersten Schritt 201 wird mittels des Temperatursensors die Oberflächentemperatur des gebildeten Eises erfasst.
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In einem zweiten Schritt 202 erfolgt ein Abgleich der aktuellen Gefriertemperatur des Salzwassers mit der im ersten Schritt 201 erfassten Oberflächentemperatur.
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In einem dritten Schritt 203 erfolgt aufgrund des Abgleiches der erfassten Oberflächentemperatur mit der aktuellen Gefriertemperatur des Salzwassers eine Änderung der Vorlauftemperatur des Kühlmittels. Aufgrund der Änderung der Vorlauftemperatur des Kühlmittels, das heißt aufgrund einer Erhöhung oder einer Verringerung der Vorlauftemperatur des Kühlmittels, erfolgt eine Veränderung der Oberflächentemperatur, das heißt eine Veränderung der Temperatur der äußersten Eisschicht. Die Veränderung der Oberflächentemperatur ist hierbei mit dem Bezugszeichen 204 gekennzeichnet. Die aufgrund der Veränderung nun vorliegende Oberflächentemperatur kann nun wiederum mittels des Temperatursensors erfasst und erneut mit der aktuellen Gefriertemperatur des Salzwassers abgeglichen werden (siehe erster und zweiter Schritt 201, 202). Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Regelung beziehungsweise ein vorteilhafter Regelkreis für die Vorlauftemperatur des Kühlmittels, bei der ein möglichst langsames Wachstum des Eises und somit eine erhöhte Effektivität der Gefrierentsalzung ermöglicht wird.
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Der in 2 verdeutlichte Regelkreis kann je nach vorgesehenem Messintervall wiederholend durchgeführt werden. Insbesondere ist es hierbei besonders von Vorteil, die Vorlauftemperatur derart zu regeln, dass die erfasste Oberflächentemperatur nur geringfügig unter der aktuellen Gefriertemperatur des Salzwassers liegt. Hierdurch wird ein besonders langsames Wachstum gewährleistet, sodass die Effektivität der Gefrierentsalzung deutlich gesteigert werden kann.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
