DE102022132086A1

DE102022132086A1 - Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee

Info

Publication number: DE102022132086A1
Application number: DE102022132086.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: PRINCIPE, MARIO, CH
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024115325A1

Abstract

Es wird eine Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) vorgeschlagen, insbesondere zur Herstellung von CO2-Schnee (58a), mit einer Expansionseinheit (10a; 10c), welche einen Flüssigkeitseingang (12a), zumindest einen Trockeneisschnee-Ausgang (14a), zumindest einen Gasausgang (20a; 20c) und einen Expansionsraum (16a; 16c) aufweist, welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang (12a) und Trockeneisschnee-Ausgang (14a) angeordnet ist und welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang (12a) und dem Trockeneisschnee-Ausgang (14a) einen sich ändernden Querschnitt (18a) aufweist, wobei der Gasausgang (20a; 20c) getrennt von dem Trockeneisschnee-Ausgang (14a) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee nach Anspruch 16.
Es sind bereits Systeme vorgeschlagen worden, welche zur Erzeugung eines CO₂-Schnees flüssiges CO₂ expandieren und den CO₂-Schnee anschließend pelletieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Trockeneisschneeherstellung, insbesondere im Hinblick auf eine vorteilhafte Phasentrennung einer festen und einer gasförmigen Phase, bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 16 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Es wird eine Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung vorgeschlagen, insbesondere zur Herstellung von CO₂-Schnee, mit einer Expansionseinheit, welche einen Flüssigkeitseingang, zumindest einen Trockeneisschnee-Ausgang, zumindest einen Gasausgang und einen Expansionsraum aufweist, welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang und dem Trockeneisschnee-Ausgang angeordnet ist und welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang und dem Trockeneisschnee-Ausgang einen sich ändernden Querschnitt aufweist, wobei der Gasausgang getrennt von dem Trockeneisschnee-Ausgang ausgebildet ist.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine besonders effiziente Vorrichtung zur Herstellung von Trockeneisschnee mit einer besonders effizienten Phasentrennung bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine in dem Expansionsraum erzeugte gasförmige Phase in einem Betriebszustand besonders effizient von einer erzeugten festen Phase getrennt werden. Zudem kann eine einfache bauliche Anordnung bereitgestellt werden. Weiterhin kann eine besonders frühzeitige Phasentrennung in einem Pelletier-Prozess zur Erzeugung von Trockeneis-Pellets erreicht werden. Insbesondere kann eine effiziente Phasentrennung unkompliziert vor einem Verdichtungsprozess stattfinden. Ferner kann Trockeneisschnee mit einem besonders geringen restlichen CO₂-Gasanteil erzeugt werden. Hierdurch kann eine weitere Verarbeitung des hergestellten Trockeneisschnees, insbesondere eine Verdichtung und/oder Verarbeitung zu Trockeneis-Pellets, vereinfacht werden. Im Speziellen kann durch den veränderlichen Querschnitt eine vorteilhafte Druckverteilung erreicht werden.
Bei der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Erzeugung von Trockeneisschnee durch Entspannung einer Flüssigkeit, insbesondere von flüssigem CO₂. Vorzugsweise weist die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung zumindest eine Verbindung zu einer Quelle von flüssigem CO₂ auf. Alternativ ist denkbar, dass ein Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem, welches zumindest die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung umfasst, die zumindest eine Verbindung der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung zu einer Quelle von flüssigem CO₂ aufweist. Denkbar wäre beispielsweise eine Rohrverbindung zu einem bereits bestehenden, insbesondere ortsfesten, Speicher von flüssigem CO₂. Alternativ ist denkbar, dass das Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem und/oder die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung eine Speichereinheit, insbesondere zumindest einen Lager- und/oder Transportbehälter für flüssiges CO₂ umfasst. Insbesondere handelt es sich bei dem flüssigen CO₂ um unter Druck verflüssigtes CO₂.
Weiterhin weist das Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem vorzugsweise zumindest eine Trockeneisschnee-Weiterverarbeitungsvorrichtung auf, in welcher der in der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung erzeugte Trockeneisschnee weiterverarbeitet wird, insbesondere zu Trockeneis-Pellets. Vorzugsweise weist die Trockeneisschnee-Weiterverarbeitungsvorrichtung zumindest eine Extrusionsvorrichtung auf, welche bevorzugt als Schneckenförderer, beispielsweise als Einzel- oder Doppelschneckenförderer, zum Verdichten des Trockeneisschnees ausgebildet und an dessen Ende insbesondere eine Matrix zur Extrusion von Trockeneis-Pellets angeordnet ist.
Bei der Expansionseinheit handelt es sich um eine Einheit, welche dazu vorgesehen ist, eine flüssige Phase, insbesondere flüssiges CO₂, durch Expansion in ein Gemisch aus einer gasförmigen Phase, insbesondere gasförmiges CO₂, und einer festen Phase, insbesondere CO₂-Schnee, zu entspannen, wobei die erzeugte gasförmige und erzeugte feste Phase des Gemischs insbesondere in der Expansionseinheit getrennt wird.
Die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Düse zum Einspritzen eines verflüssigten Gases, insbesondere von flüssigem CO₂, in den Expansionsraum der Expansionseinheit. Vorzugsweise grenzt der Flüssigkeitseingang unmittelbar an die Düse der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung an, wobei ein minimaler Abstand zwischen beiden insbesondere maximal 10 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm und besonders bevorzugt maximal 2 mm beträgt. Alternativ wäre auch denkbar, dass zwischen dem Flüssigkeitseingang und der Düse ein größerer Abstand vorhanden ist, insbesondere mehr als 10 mm, jedoch bevorzugt höchstens 50 mm. Ferner ist der Flüssigkeitseingang vorzugsweise als eine Öffnung mit einem kreisförmigen Querschnitt in der Expansionseinheit ausgebildet, insbesondere in Form einer Bohrung und/oder Fräsung.
Der Expansionsraum ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem ersten Abschnitt, zumindest im Wesentlichen kegelstumpfschalenförmig ausgebildet. Vorzugsweise weicht eine Form des Expansionsraumes in einem entsprechenden Abschnitt um einen Volumenanteil von höchstens 30 %, vorzugsweise von höchstens 20 % und bevorzugt von höchstens 10 % von einer reinen Kegelstumpfschalenform ab. Der Expansionsraum ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem zweiten Abschnitt, zumindest im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Vorzugsweise weicht eine Form des Expansionsraumes in einem entsprechenden Abschnitt um einen Volumenanteil von höchstens 30 %, vorzugsweise von höchstens 20 % und bevorzugt von höchstens 10 % von einer reinen Zylinderform ab.
Der Gasausgang ist vorzugsweise als Kanal, insbesondere als Röhre, ausgebildet Vorzugsweise weist der Gasausgang eine Länge von zumindest 1 mm, bevorzugt von mindestens 3 mm und besonders bevorzugt von wenigstens 6 mm auf. Insbesondere beträgt eine Länge des Gasausgangs höchstens 50 mm, bevorzugt maximal 25 mm und besonders bevorzugt maximal 15 mm. Der Gasausgang dient dabei zur Abführung einer gasförmigen Phase, insbesondere gasförmigen CO₂, aus dem Expansionsraum. Insbesondere verläuft der Gasausgang ausgehend von dem Expansionsraum zu einer Außenfläche der Expansionseinheit. Der Gasausgang weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist besonders bevorzugt als eine Bohrung und/oder Fräsung ausgebildet. Vorzugsweise weist der Gasausgang einen Durchmesser von zumindest 0,5 mm, vorzugsweise von zumindest 0,75 mm und bevorzugt von zumindest 1 mm auf. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser maximal 12 mm, vorzugsweise maximal 6 mm und bevorzugt maximal 3 mm. Hierbei soll unter einem „Durchmesser“ des Gasausgangs, insbesondere auch bei einem nicht-kreisförmigen Querschnitt des Gasausgangs, insbesondere ein Durchmesser eines kleinsten gedachten Kreises verstanden werden, welcher den Querschnitt des Gasausgangs gerade noch vollständig umschließt. Hierdurch kann eine vorteilhafte Druckverteilung in dem Gasausgang erreicht werden. Insbesondere kann ein Austreten von Trockeneisschnee aus dem Gasausgang reduziert werden. Vorzugsweise wird die gasförmige Phase von CO₂ zumindest zu einem Großteil lediglich durch den Gasausgang aus dem Expansionsraum abgeführt, wodurch vorteilhaft ein Trockeneischnee mit einem besonders niedrigen Anteil einer gasförmigen Phase erzeugt werden kann. Dabei ist der Gasausgang separat von dem Flüssigkeitseingang ausgebildet. Ferner ist der Gasausgang separat von dem Expansionsraum ausgebildet. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ sollen dabei insbesondere zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % eines Volumen- und/oder Masseanteils verstanden werden.
Der Trockeneisschnee-Ausgang dient einer Abführung von Trockeneisschnee aus dem Expansionsraum und ist vorzugsweise als eine Öffnung in der Expansionseinheit ausgebildet. Bevorzugt wird Trockeneisschnee lediglich durch den Trockeneisschnee-Ausgang aus dem Expansionsraum abgeführt. Der Trockeneisschnee-Ausgang ist vorzugsweise an einem zweiten Ende des Expansionsraums gegenüber einem ersten Ende des Expansionsraums angeordnet, an welchem der Flüssigkeitseingang ausgebildet ist. Bevorzugt sind der Trockeneisschnee-Ausgang und der Flüssigkeitseingang an gegenüberliegenden Enden des Expansionsraums ausgebildet. Vorzugsweise ist der Trockeneisschnee-Ausgang in einer Einbaulage und/oder einem Betriebszustand bezüglich einer Schwerkraftrichtung unterhalb des Flüssigkeitseingangs angeordnet, wodurch der Trockeneisschnee von seinem Ort der Erzeugung im Expansionsraum, insbesondere von einer Region im Expansionsraum nahe dem Flüssigkeitseingang, mittels der Schwerkraft auf einfache Weise zu dem Trockeneisschnee-Ausgang transportiert werden kann. Der Trockeneisschnee-Ausgang ist vorzugsweise länglich und besonders bevorzugt gebogen, gekrümmt und/oder geknickt ausgebildet. Alternativ ist denkbar, dass der Trockeneischnee-Ausgang eine andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Form aufweist. Vorzugsweise weist die Expansionseinheit weitere Trockeneischnee-Ausgänge auf, welche besonders bevorzugt untereinander gleich ausgebildet sind. Alternativ ist denkbar, dass die Trockeneischnee-Ausgänge unterschiedliche Formen voneinander aufweisen.
Die Expansionseinheit weist vorzugsweise eine Axialrichtung auf, welche insbesondere ausgehend von dem Flüssigkeitseingang in Richtung zum Trockeneisschnee-Ausgang weist. Bezüglich der Axialrichtung der Expansionseinheit weist die Expansionseinheit vorzugsweise eine Symmetrie, insbesondere eine Drehsymmetrie, auf. Vorzugsweise weisen Bestandteile der Expansionseinheit, insbesondere der Expansionsraum und/oder der Flüssigkeitseingang und/oder der Flüssigkeitsausgang bezüglich der Axialrichtung der Expansionseinheit eine Symmetrie, insbesondere eine Drehsymmetrie, auf. Bezüglich der Axialrichtung der Expansionseinheit weist die Düse vorzugsweise eine Symmetrie, insbesondere eine Drehsymmetrie, auf. Vorzugsweise ist die Axialrichtung der Expansionseinheit in einer Einbaulage und/oder einem Betriebszustand parallel zu einer Schwerkraftrichtung. Der Querschnitt des Expansionsraums ist eine Fläche, welche vorzugsweise senkrecht zu der Axialrichtung der Expansionseinheit ausgebildet ist.
Unter „vorgesehen“ soll ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Gasausgang ausgehend vom Expansionsraum in Richtung des Flüssigkeitseingangs gerichtet ist. Hierdurch kann eine besonders effiziente Phasentrennung erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte räumliche Auftrennung der erzeugten gasförmigen und erzeugten festen Phase auf eine einfache Weise erzielt werden. Insbesondere kann ein Austreten der erzeugten festen Phase durch den Gasausgang auf einfache Weise vermieden werden. Vorzugsweise sind eine Axialausrichtung des Gasausgangs und/oder eine mittlere Bewegungsrichtung der erzeugten gasförmigen Phase in dem Gasausgang in einem Betriebszustand zumindest teilweise entgegengesetzt zu einer Richtung entlang der Axialrichtung der Expansionseinheit ausgehend von dem Flüssigkeitseingang bis zum Trockeneisschnee-Ausgang und/oder einer mittleren Bewegungsrichtung des Trockeneisschnees in dem Betriebszustand. Vorzugsweise weist die Axialrichtung des Gasausgangs entlang dem Gasausgang ausgehend von dem Expansionsraum in eine Richtung zu einer äußeren Oberfläche der Expansionseinheit. Vorzugsweise stimmt die Axialrichtung des Gasausgangs mit der mittlere Bewegungsrichtung der erzeugten gasförmigen Phase in dem Gasausgang in dem Betriebszustand überein. Vorzugsweise stimmt die Axialrichtung der Expansionseinheit mit der mittleren Bewegungsrichtung des Trockeneisschnees in dem Betriebszustand überein. Vorzugsweise besitzt ein Winkel zwischen der Axialrichtung des Gasausgangs und der Axialrichtung der Expansionseinheit einen Wert von über 90°, vorzugsweise von zumindest 120° und bevorzugt von zumindest 130°. Insbesondere besitzt der Winkel zwischen der Axialrichtung des Gasausgangs und der Axialrichtung der Expansionseinheit einen Wert von weniger als 180°, vorzugsweise von maximal 160° und bevorzugt von höchstens 140°. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel 135°. Bevorzugt wird die Richtung eines Gasstroms im Expansionsraum in einem Betriebszustand um einen Winkel von mehr als 90°, vorzugsweise von zumindest 120° und bevorzugt von zumindest 130° im Gasausgang umgelenkt. Insbesondere wird die Richtung des Gasstroms im Expansionsraum in dem Betriebszustand um einen Winkel von weniger als 180°, vorzugsweise von maximal 160° und bevorzugt maximal 140° im Gasausgang umgelenkt. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel 135°. Eine mittlere Bewegungsrichtung des Trockeneisschnees im Expansionsraum entspricht vorzugsweise einer mittleren Bewegungsrichtung des gesamten Trockeneisschnees im Expansionsraum. Vorzugsweise ist eine mittlere Bewegungsrichtung des Trockeneisschnees parallel zu einer Schwerkraftrichtung. Alternativ wäre auch denkbar, dass der Gasausgang ausgehend vom Expansionsraum in Richtung des Trockeneisschnee-Ausgangs gerichtet ist, wobei in diesem Fall insbesondere eine Umlenkung innerhalb des Gasausgangs bevorzugt wäre.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass sich eine Querschnittsfläche eines Querschnitts des Gasausgangs ausgehend vom Expansionsraum zu einer Außenfläche der Expansionseinheit, insbesondere der oben genannten Außenfläche, verändert. Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche ausgehend vom Expansionsraum zu einer Außenfläche der Expansionseinheit zu. Hierdurch kann die Trockenschnee-Erzeugungsvorrichtung weiter optimiert werden. Der Querschnitt des Gasausgangs ist eine Fläche, welche insbesondere senkrecht zu der Axialrichtung des Gasausgangs ausgebildet ist. Es wäre denkbar, dass die Zunahme zumindest abschnittsweise kontinuierlich entlang dem Gasausgang erfolgt. Vorzugsweise liegt die Zunahme jedoch gestaffelt vor. Hierdurch kann eine Herstellung vorteilhaft vereinfacht werden. Bevorzugt weist der Gasausgang eine Entgasungsöffnung und einen Entgasungsausgang auf, welche durch eine gestaffelte, und zwar insbesondere im Wesentlichen diskrete, Zunahme der Querschnittsfläche aufgeteilt sind. Unter einer „im Wesentlichen diskreten Zunahme“ soll insbesondere eine Zunahme verstanden werden, welche komplett innerhalb eines Abschnitts mit einer Länge von maximal 20 %, vorzugsweise höchstens 10 %, besonders bevorzugt maximal 5 % und besonders vorteilhaft maximal 2 % der Länge des Gasausgangs vorliegt. Die Entgasungsöffnung und der Entgasungsausgang weisen vorzugsweise jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind besonders bevorzugt als jeweils eine Bohrung und/oder Fräsung ausgebildet. Alternativ wäre denkbar, dass der Querschnitt der Entgasungsöffnung und/oder des Entgasungsausgangs eine andere, dem Fachmann sinnvoll erscheinende Flächenform aufweist. Die Entgasungsöffnung und/oder der Entgasungsausgang weisen/weist vorzugsweise jeweils eine konstante Querschnittsfläche auf. Die Entgasungsöffnung grenzt vorzugsweise an den Expansionsraum an. Der Entgasungsausgang grenzt vorzugsweise an die Außenfläche der Expansionseinheit an und weist insbesondere eine größere Querschnittsfläche als die Entgasungsöffnung auf. Vorzugsweise weist die Entgasungsöffnung einen Durchmesser von zumindest 0,5 mm, bevorzugt von zumindest 0,75 mm und besonders bevorzugt von zumindest 1 mm auf. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser maximal 3 mm, bevorzugt maximal 2 mm und besonders bevorzugt maximal 1,2 mm. Der Entgasungsausgang weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, welcher um einen Faktor größer eins und bevorzugt höchstens vier, insbesondere genau zwei, größer als der Durchmesser der Entgasungsöffnung ist. Die Entgasungsöffnung weist vorzugsweise eine Länge auf, welche dem Durchmesser der Entgasungsöffnung zumindest im Wesentlichen entspricht, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % von dem Durchmesser der Entgasungsöffnung. Alternativ wären andere Dimensionen denkbar, welche dem Fachmann sinnvoll erscheinen. Es wäre weiterhin denkbar, dass der Gasausgang weitere, insbesondere zumindest im Wesentlichen diskrete, Zunahmen aufweist. Alternativ wäre denkbar, dass der Querschnitt des Gasausgangs entlang des Gasausgangs eine konstante Flächengröße und/oder -form aufweist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Expansionseinheit eine Mehrzahl weiterer Gasausgänge aufweist, welche über eine Außenfläche der Expansionseinheit, insbesondere der oben genannten Außenfläche der Expansionseinheit, verteilt angeordnet und ausgehend vom Expansionsraum in Richtung des Flüssigkeitseingangs gerichtet sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine große Menge der gebildeten gasförmigen Phase aus dem Expansionsraum der Expansionseinheit entfernt werden. Vorzugsweise können die weiteren Gasausgänge die gleichen hierin genannten Eigenschaften für den Gasausgang aufweisen. Vorzugsweise sind die Gasausgänge über die Außenfläche der Expansionseinheit so verteilt angeordnet, dass sie jeweils von einer Region im Expansionsraum in der Nähe des Flüssigkeitseingangs, von einer Region im Expansionsraum in der Nähe des Trockeneisschneeausgangs, sowie von dazwischen liegenden Regionen ausgehen. Hierdurch kann vorteilhaft eine große Menge der gasförmigen Phase besonders effizient aus dem Expansionsraum der Expansionseinheit eliminiert werden, da die gebildete gasförmige Phase aus einem Bereich des Expansionsraums in der Nähe des Flüssigkeitseingangs, sowie die gebildete gasförmige Phase aus einem Bereich des Expansionsraums in der Nähe des Trockeneisschneeausgangs, sowie jeglichen Bereichen dazwischen durch eine unmittelbare Nähe eines Gasausgangs effektiv aus dem Expansionsraum entfernt werden kann. Insbesondere kann eine Homogenität der Phasentrennung gesteigert werden. Vorzugsweise sind die Gasausgänge symmetrisch angeordnet, insbesondere in Bezug auf die Axialrichtung der Expansionseinheit, wodurch eine Homogenität der Phasentrennung weiterhin gesteigert werden kann. Vorzugsweise ist hierbei jeweils eine Gruppe von Gasausgängen bezüglich einer Schwerkraftrichtung übereinander angeordnet, wobei jeweils eine erste Gruppe von Gasausgängen bezüglich der Axialrichtung der Expansionseinheit einer weiteren Gruppe von Gasausgängen gegenüber liegt. Vorzugsweise sind jeweils mehrere, insbesondere vier, Gruppen von übereinander liegenden Gasausgängen auf einem Ring um die Axialrichtung der Expansionseinheit vorzugsweise mit einem konstanten Abstand zueinander angeordnet. Hierdurch kann eine effizientere und homogenere Eliminierung von Gas aus dem Expansionsraum, sowie eine hohe bauliche Stabilität und ein einfacher baulicher Aufbau der Expansionsvorrichtung bereitgestellt werden. Alternativ ist denkbar, dass die auf der Außenfläche der Expansionseinheit verteilt angeordneten Gasausgänge weitere Muster und/oder Symmetrien aufweisen.
Vorzugsweise sind die Gasausgänge jeweils unter einem gleichen Winkel, in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet. Alternativ ist denkbar, dass die Gasausgänge jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind. Es ist insbesondere denkbar, dass jeweils eine erste Gruppe von Gasausgängen unter einem gleichen Winkel in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind, während zumindest eine weitere Gruppe von Gasausgängen unter einem unterschiedlichen Winkel zu der ersten Gruppe Gasausgänge in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind, wobei die Gasausgänge in der zumindest einen weiteren Gruppe von Gasausgängen unter einem gleichen Winkel in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind. Insbesondere ist denkbar, dass eine Gruppe von Gasausgängen, welche unter einem gleichen Winkel in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind, einen gleichen Abstand zum Flüssigkeitseingang aufweisen. Vorzugsweise wird eine unterschiedliche Wahl der Winkel, unter welchen die Gasausgänge in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind, für eine möglichst effektive Phasentrennung optimiert. So könnte denkbar sein, dass der Winkel, unter welchem die Gasausgänge in Richtung des Flüssigkeitseingangs ausgerichtet sind, mit einem zunehmenden Abstand des jeweiligen Gasausgangs zum Flüssigkeitseingang stets abnimmt oder stets zunimmt oder eine regelmäßige oder unregelmäßige Zu- und/oder Abnahme aufweist.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Gesamt-Querschnittsfläche der Gasausgänge ausgehend vom Flüssigkeitseingang zum Trockeneisschnee-Ausgang zunimmt. Insbesondere ist denkbar, dass eine Anzahl der jeweiligen Gasausgänge auf der Außenfläche der Expansionseinheit und/oder eine jeweilige Querschnittsfläche der einzelnen Gasausgänge auf der Außenfläche der Expansionseinheit in eine Richtung ausgehend vom Flüssigkeitseingang zum Trockeneisschnee-Ausgang zunehmen. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders effiziente und/oder homogenere Eliminierung einer gasförmigen Phase aus dem Expansionsraum bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Zunahme eines Volumens des Expansionsraums mit einer zunehmenden Gesamt-Querschnittsfläche der Gasausgänge ausgehend vom Flüssigkeitseingang zum Trockeneisschnee-Ausgang kompensiert werden. Unter einer „Gesamt-Querschnittsfläche“ soll insbesondere eine Summe der Querschnittsflächen von Gasausgängen verstanden werden, welche einen ähnlichen Abstand, insbesondere einen gleichen Abstand, zu dem Flüssigkeitseingang aufweisen.
Vorteilhaft weist der Expansionsraum zumindest abschnittsweise einen zumindest im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt auf. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders effiziente und homogene Eliminierung einer gebildeten gasförmigen Phase aus dem Expansionsraum bereitgestellt werden, da beispielsweise im Gegensatz zu einem kreisförmigen Querschnitt, in welchem ein Teil der gasförmigen Phase in einer Region um den Mittelpunkt des kreisförmigen Querschnitts angeordnet ist und somit eine weite Strecke zur Oberfläche des Kreises zurückgelegen muss, um den Expansionsraum zu verlassen, die gebildete gasförmige Phase in jedem Punkt in einem Expansionsraum mit einem kreisringförmigen Querschnitt eine vergleichsweise niedrige Strecke zu einem Gasausgang zurücklegen muss, welcher direkt an eine Oberfläche des Expansionsraums angrenzt. Ein Kreisring des im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitts ist insbesondere durch zwei konzentrische Kreise begrenzt. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders homogene Phasentrennung, insbesondere eine besonders homogene Eliminierung einer gebildeten gasförmigen Phase erreicht werden. Insbesondere kann der Querschnitt des Expansionsraums in einem ersten Abschnitt zumindest im Wesentlichen kreisringförmig und in einem zweiten Abschnitt andersartig geformt, insbesondere zumindest im Wesentlichen kreisförmig, ausgebildet sein. Vorzugsweise bildet der erste Abschnitt mit einem zumindest im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildeten Querschnitt zumindest 60 %, vorzugsweise zumindest 70 % und bevorzugt zumindest 80 % des Volumens des Expansionsraums aus. Vorzugsweise ist der erste Abschnitt unterhalb von dem zweiten Abschnitt bezüglich einer Schwerkraftrichtung angeordnet. Vorzugsweise grenzt der erste Abschnitt an den Trockeneisschnee-Ausgang an. Vorzugsweise grenzt der zweite Abschnitt an die Düse und/oder den Flüssigkeitseingang an. Vorzugsweise weist der zumindest im Wesentlichen kreisringförmige Querschnitt des Expansionsraums bezüglich eines Flächenanteils höchstens eine Abweichung von maximal 20 %, vorzugsweise von höchstens 10 % und bevorzugt von maximal 5 % von einer reinen Form eines Kreisrings auf. Insbesondere kann der Umfang eines inneren Rings und/oder eines äußeren Rings des im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitts, beispielsweise durch eine Strukturierung auf der Oberfläche des Expansionsraums, uneben sein, wodurch der im Wesentlichen kreisringförmige Querschnitt von einer reinen Form eines Kreisrings abweicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Querschnittsfläche des Expansionsraums vom Flüssigkeitseingang zum Trockeneisschnee-Ausgang zunimmt. Hierdurch kann eine besonders effiziente Druckverteilung für die Phasentrennung erreicht werden. Beispielsweise könnte die Querschnittsfläche zumindest abschnittsweise zumindest im Wesentlichen linear zunehmen. Vorzugsweise weist die Zunahme eine Rate von mindestens 2 mm²/mm, insbesondere von zumindest 3 mm²/mm und bevorzugt von zumindest 4 mm²/mm auf. Weiterhin weist die Zunahme vorzugsweise eine Rate von höchstens 15 mm²/mm, insbesondere von maximal 10 mm²/mm und bevorzugt von höchstens 5 mm²/mm auf. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einer mittleren Rate insbesondere weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % der mittleren Rate abweicht. Alternativ und/oder zusätzlich ist zumindest abschnittsweise eine nichtlineare Zunahme denkbar. Vorzugsweise beschreibt die nichtlineare Zunahme eine stetig zunehmende Funktion, welche bevorzugt als eine exponentielle Funktion und besonders bevorzugt als eine logarithmische Funktion ausgebildet ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass sowohl ein äußerer Radius als auch ein innerer Radius des kreisringförmigen Querschnitts des Expansionsraums vom Flüssigkeitseingang zum Trockeneisschnee-Ausgang zunimmt, wobei eine Differenz zwischen dem äußeren Radius und dem inneren Radius zumindest abschnittsweise zumindest im Wesentlichen konstant bleibt. Hierdurch kann vorteilhaft eine effiziente Eliminierung einer gasförmigen Phase aus dem Expansionsraum bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Aufweitung einer Breite des kreisringförmigen Querschnitts des Expansionsraums vermieden werden, wodurch die gasförmige Phase in jedem Punkt in dem Expansionsraum eine vergleichsweise niedrige Strecke zu einem Gasausgang zurücklegen muss, welcher direkt an eine Oberfläche des Expansionsraums angrenzt. Vorzugsweise ist die Differenz zwischen dem äußeren Radius und dem inneren Radius in einem ersten Abschnitt zumindest im Wesentlichen konstant und nimmt in einem zweiten Abschnitt einen weiteren konstanten oder sich ändernden Wert an. Vorzugsweise ist der zweite Abschnitt oberhalb von dem ersten Abschnitt bezüglich der Schwerkraftrichtung ausgebildet. Insbesondere kann der Umfang eines inneren Rings und/oder eines äußeren Rings des im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitts, beispielsweise durch eine Strukturierung auf der Oberfläche des Expansionsraums, uneben sein, wodurch die Differenz zwischen dem äußeren Radius und dem inneren Radius lediglich im Wesentlichen konstant sein kann. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einer mittleren Differenz insbesondere weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % der mittleren Differenz abweicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Expansionseinheit einen Außenkörper und einen separat von dem Außenkörper ausgebildeten Innenkörper aufweist, welcher zumindest teilweise innerhalb des Außenkörpers angeordnet ist, wobei zwischen dem Außenkörper und dem Innenkörper der Expansionsraum ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft auf eine einfache bauliche Weise eine spezifische Form des Expansionsraums bereitgestellt werden. Insbesondere kann zudem eine hohe bauliche Flexibilität bereitgestellt werden. Weiterhin kann eine Wartung der Vorrichtung vorteilhaft verbessert werden, indem beispielsweise eine Reinigung des Expansionsraums und/oder ein Austauschen eines Innen- oder Außenkörpers bei einer Beschädigung vereinfacht wird. Der Außenkörper und der Innenkörper sind als separat ausgebildete Bauteile miteinander verbunden, vorzugsweise über eine Schraubverbindung. Hierdurch kann vorteilhaft eine hohe bauliche Flexibilität und eine hohe bauliche Stabilität auf eine einfache Weise bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Verbindung zwischen dem Außenkörper und dem Innenkörper eine von einer Schraubverbindung verschiedene Verbindung ist, beispielsweise eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Steckverbindung oder eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweiß- und/oder Lötverbindung. Vorzugsweise stimmen eine Axialrichtung des Innenkörpers und/oder eine Axialrichtung des Außenkörpers mit der Axialrichtung der Expansionseinheit überein, wodurch eine einfache Konstruktion mit einer hohen Symmetrie erreicht werden kann, wodurch wiederrum eine Homogenität der Phasentrennung gesteigert werden kann.
Es wäre grundsätzlich denkbar, dass die Gasausgänge lediglich in dem Innenkörper ausgebildet sind. Weiterhin wäre es denkbar, dass die Gasausgänge in dem Außenkörper und dem Innenkörper ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Gasausgänge jedoch lediglich in dem Außenkörper ausgebildet, wodurch eine Konstruktion weiter vereinfacht werden kann. Weiterhin kann eine Anordnung von Gasausgängen durch ein Austauschen des Außenkörpers und/oder des Innenkörpers auf eine einfache Weise flexibel geändert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der Innenkörper zumindest teilweise kegelartig ist. Hierdurch können eine einfache Konstruktion und vorteilhafte Eigenschaften bezüglich einer Phasentrennung bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist der zumindest teilweise kegelartige Bereich des Innenkörpers bezüglich eines Volumenanteils eine Abweichung von maximal 20 %, vorzugsweise von maximal 15 % und bevorzugt von maximal 10 % von einer reinen Kegelform auf. Insbesondere weist der zumindest teilweise kegelartige Teil des Innenkörpers einen Kegel mit einer abgerundeten Kegelspitze auf. Ferner kann die Oberfläche des Kegels, beispielsweise durch eine Strukturierung auf der Oberfläche des Innenkörpers, uneben sein. Vorzugsweise ist der Kegel als ein gerader Kreiskegel ausgebildet. Vorzugsweise ist die Kegelspitze in Richtung des Flüssigkeitseingangs gerichtet. Weiterhin ist die Basis des Kegels vorzugsweise in Richtung des Trockeneisschnee-Ausgangs gerichtet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Aufweitung des Expansionsraumes ausgehend vom Flüssigkeitseingang in eine Richtung zum Trockeneisschnee-Ausgang durch eine einfache Konstruktion erreicht werden. Insbesondere kann durch ein mittels Reibung hervorgerufenes Aufliegen des Trockeneisschnees auf dem Innenkörper eine vorteilhaftere Verweildauer des Trockeneisschnees auf dem Innenkörper erreicht werden. Vorzugsweise stimmt eine Axialrichtung des Kegels, insbesondere des zumindest teilweise kegelartigen Innenkörpers, mit der Axialrichtung der Expansionseinheit überein. Hierdurch kann eine einfache Konstruktion mit einer hohen Symmetrie erreicht werden, wodurch wiederrum eine Homogenität der Phasentrennung gesteigert werden kann.
Vorteilhaft weist der Außenkörper eine zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmige Ausnehmung zur Aufnahme zumindest eines Teils des Innenkörpers auf. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Formgebung des Expansionsraums auf eine einfache bauliche Weise erreicht werden. Vorzugsweise weist der Außenkörper in einem ersten Abschnitt eine kegelstumpfförmige Ausnehmung und in einem zweiten Abschnitt eine anderweitig geformte, insbesondere zylinderförmige, Ausnehmung auf. Vorzugsweise ist der weitere zylinderförmige Abschnitt bezüglich einer Schwerkraftrichtung oberhalb der kegelstumpfförmigen Ausnehmung des ersten Abschnitts ausgebildet und weist einen Radius auf, welcher einem Radius einer obersten Fläche der kegelstumpfförmigen Ausnehmung entspricht. Vorzugsweise entspricht die kegelstumpfförmige Ausnehmung einer Form eines Kegelstumpfs eines geraden Kreiskegels, dessen Kegelspitze in Richtung des Flüssigkeitseingangs und dessen Basis in Richtung des Trockeneisschnee-Ausganges gerichtet ist. Hierdurch kann eine vorteilhafte Aufweitung des Expansionsraumes ausgehend vom Flüssigkeitseingang in eine Richtung zum Trockeneisschnee-Ausgang durch eine einfache Konstruktion erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine den Expansionsraum begrenzende Oberfläche der Expansionseinheit zumindest abschnittsweise eine Strukturierung aufweist. Hierdurch können besonders vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Phasentrennung erreicht werden. Insbesondere kann eine Verweildauer des Trockeneisschnees innerhalb des Expansionsraums gesteigert werden. Vorzugsweise umfasst eine den Expansionsraum begrenzende Oberfläche der Expansionseinheit zumindest einen Teil einer Oberfläche des Innenkörpers, insbesondere des zumindest teilweise kegelartigen Innenkörpers und/oder zumindest einen Teil einer inneren Oberfläche des Außenkörpers, insbesondere die zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmige Ausnehmung des Außenkörpers, welche den Expansionsraum begrenzen.
Es ist denkbar, dass die Strukturierung lediglich eine Mikrostrukturierung aufweist oder als eine Mikrostrukturierung ausgebildet ist, beispielsweise in Form einer Rauigkeit. Eine solche Mikrostrukturierung kann insbesondere mittels einfacher und kostengünstiger Herstellungsprozesse, beispielsweise durch Sandstrahlen, bereitgestellt werden. Alternativ ist denkbar, dass die Strukturierung lediglich eine Makrostrukturierung aufweist und insbesondere als eine Makrostrukturierung ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Interaktion zwischen dem Trockeneisschnee und der Strukturierung und somit insbesondere die Verweildauer des Trockeneisschnees auf der Oberfläche der Expansionseinheit gesteigert werden.
Vorteilhaft weist die Strukturierung eine Makrostrukturierung auf und ist insbesondere als eine solche ausgebildet, welche zumindest teilweise spiralförmig ausgebildet ist, wodurch mittels einer vorteilhaft einfachen Konstruktion eine verbesserte Phasentrennung erreicht werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Strukturierung eine Makrostrukturierung aufweist, welche zumindest teilweise schraubenförmig ausgebildet ist. Hierdurch kann sich der gebildete Trockeneisschnee im Expansionsraum vorteilhaft an der schraubenförmigen Makrostrukturierung sammeln und sich vorteilhaft in einer schraubenförmigen Bewegung der Makrostrukturierung folgend zu dem Trockeneisschnee-Ausgang bewegen. Insbesondere kann die schraubenförmige Makrostrukturierung vorteilhaft auf eine einfache bauliche Weise konstruiert werden. Besonders bevorzugt ist die Makrostrukturierung sowohl spiralförmig als auch schraubenförmig ausgebildet. Hierdurch kann sich der gebildete Trockeneisschnee im Expansionsraum vorteilhaft an der schraubenförmigen Makrostrukturierung sammeln und sich in einer insbesondere vorteilhaften aufweitenden schraubenförmigen Bewegung der Makrostrukturierung folgend zu dem Trockeneisschnee-Ausgang bewegen. Hierdurch nimmt vorteilhaft eine Kapazität für Trockeneisschnee, welcher sich an der Makrostrukturierung sammelt, ausgehend vom Flüssigkeitseingang in eine Richtung zum Trockeneisschnee-Ausgang zu.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Strukturierung auf dem Innenkörper angeordnet ist. Hierdurch kann eine Position, insbesondere in Bezug zu dem Trockeneisschnee-Ausgang, eines sich im Expansionskörper sammelnden Trockeneisschnees verbessert werden. In dem Fall, in welchem die Strukturierung eine Makrostrukturierung aufweist, kann insbesondere eine durch die Strukturierung vorgegebene Bewegung des auf der Makrostrukturierung gesammelten Trockeneisschnees vorteilhaft zu dem Trockeneischnee-Ausgang führen. Insbesondere kann in dem Fall, in welchem sich die Gasausgänge lediglich in dem Außenkörper befinden, eine Ansammlung von Trockeneisschnee in der Nähe eines Gasausgangs, sowie eine Chance eines durch Trockeneisschnee verstopften Gasausgangs, vorteilhaft reduziert werden. Vorzugsweise ist die Strukturierung lediglich auf dem Innenkörper angeordnet. Vorzugsweise weist die Strukturierung eine Makrostrukturierung auf, welche als konische Spirale auf einem zumindest teilweise kegelartigen Innenkörper ausgebildet ist. Alternativ ist denkbar, dass die auf dem kegelartigen Innenkörper projizierte Spirale einen logarithmischen, Fermat`schen oder einen anderen, dem Fachmann sinnvoll erscheinenden Grundriss aufweist. Alternativ wäre grundsätzlich denkbar, dass die Makrostrukturierung auf dem Innenkörper eine andere, dem Fachmann sinnvoll erscheinende Form aufweist, welche keinem spiralförmigen Grundriss entspricht. Alternativ wäre zudem grundsätzlich denkbar, dass die Strukturierung auf dem Innenkörper lediglich eine Mikrostrukturierung aufweist.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee mit der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung vorgeschlagen. Hierdurch kann eine besonders effiziente Herstellung von Trockeneisschnee mit einer besonders effizienten Phasentrennung bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine gebildete gasförmige Phase besonders vorteilhaft von einer gebildeten festen Phase getrennt werden. Vorzugsweise wird in dem Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee zunächst eine Flüssigkeit, insbesondere unter Druck verflüssigtes CO₂, bereitgestellt, welches mittels des Flüssigkeitseingangs in den Expansionsraum eingebracht wird. Anschließend wird die Flüssigkeit, insbesondere das flüssige CO₂, vorzugsweise durch eine schlagartige Druckverminderung im Expansionsraum beim Einspritzen durch die Düse in eine feste und in eine gasförmige Phase, insbesondere von CO₂, entspannt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die gebildete feste und gasförmige Phase vorzugsweise getrennt, indem die gasförmige Phase durch den Gasausgang aus dem Expansionsraum entfernt wird. Vorzugsweise passiert die feste Phase den Expansionsraum und verlässt diesen daraufhin in Form von Trockeneisschnee, insbesondere CO₂-Schnee, durch den Trockeneisschnee-Ausgang.
Die erfindungsgemäße Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die erfindungsgemäße Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystems mit einer Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung und einer Trockeneisschnee-Weiterverarbeitungsvorrichtung,
2 eine Schnittansicht der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung mit einer Expansionseinheit und mit einer Düse,
3 eine stark vereinfachte 3D-Explosionsdarstellung der Expansionseinheit mit separat voneinander ausgebildetem Innenkörper und Außenkörper,
4 eine Schnittansicht der Expansionseinheit entlang einer Linie A-A in 2,
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Trockeneis-Schnee,
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung und
7 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a zeigt ein Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem 50a zur Erzeugung von Trockeneis-Pellets in einer schematischen Darstellung. Das Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem 50a umfasst eine Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a zur Herstellung von CO₂-Schnee 58a (vgl. 2). Das Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem 50a weist eine Trockeneisschnee-Weiterverarbeitungsvorrichtung in Form einer Extrusionsvorrichtung 60a auf. Durch die Extrusionsvorrichtung 60a wird in einem Betriebszustand der in der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a erzeugte CO₂-Schnee 58a verdichtet und durch Extrusion durch eine Matrix (nicht dargestellt) in Trockeneis-Pellets geformt. 1b zeigt, dass die Extrusionsvorrichtung 60a einen Doppelschneckenförderer aufweist. Der Doppelschneckenförderer weist eine Förderschnecke 62a und eine weitere Förderschnecke 64a auf. Alternativ wäre denkbar, dass die Extrusionsvorrichtung 60a einen Einzelschneckenförderer mit lediglich einer Förderschnecke 62a aufweist.
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a. Dabei liegt eine Axialrichtung 42a einer Expansionseinheit 10a der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a in der Zeichenebene. Die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a umfasst eine Düse 52a und die Expansionseinheit 10a. Die Expansionseinheit 10a weist einen Flüssigkeitseingang 12a, einen Trockeneisschnee-Ausgang 14a und einen Expansionsraum 16a auf. Die Axialrichtung 42a stimmt mit einer mittleren Bewegungsrichtung des CO₂-Schnees 58a im Expansionsraum 16a überein und verläuft entlang einer Richtung ausgehend von dem Flüssigkeitseingang 12a zu dem Trockenschnee-Ausgang 14a. Der Expansionsraum 16a ist zwischen dem Flüssigkeitseingang 12a und dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a angeordnet. Der Expansionsraum 16a grenzt an den Trockeneisschnee-Ausgang 14a an. Durch den Trockeneisschnee-Ausgang 14a wird der in dem Expansionsraum 16a erzeugte CO₂-Schnee 58a aus dem Expansionsraum 16a befördert. Der Flüssigkeitseingang 12a grenzt unmittelbar an die Düse 52a an. Durch den Flüssigkeitseingang 12a wird in dem Betriebszustand flüssiges CO₂ 54a in dem Expansionsraum 16a bereitgestellt, welches durch die Düse 52a in den Expansionsraum 16a eingespritzt wird. Der Trockeneisschnee-Ausgang 14a ist bezüglich einer Schwerkraftrichtung 68a unterhalb des Flüssigkeitseingangs 12a angeordnet.
Die Expansionseinheit 10a besitzt einen Gasausgang 20a, welcher getrennt von dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a ausgebildet ist. Durch den Gasausgang 20a wird in dem Betriebszustand CO₂-Gas 56a aus dem Expansionsraum 16a befördert. Der Gasausgang 20a ist ausgehend vom Expansionsraum 16a in Richtung des Flüssigkeitseingangs 12a gerichtet. Eine Axialrichtung 48a des Gasausgangs 20a und die Axialrichtung 42a der Expansionseinheit 10a schließen einen Winkel B von 135° ein. Die Axialrichtung 48a des Gasausgangs 20a stimmt mit einer mittleren Bewegungsrichtung des CO₂-Gases 56a im Gasausgang 20a überein und verläuft entlang einer Richtung ausgehend von dem Expansionsraum 16a zu einer Außenfläche 22a der Expansionseinheit 10a.
Die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a weist weitere Gasausgänge 30a auf, welche getrennt von dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a ausgebildet sind. Vorliegend weist die Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung genau 16 Gasausgänge 20a, 30a auf, wobei in alternativen Ausgestaltungen beliebige Anzahlen denkbar sind. Die weiteren Gasausgänge 30a sind ausgehend vom Expansionsraum 16a auch in Richtung des Flüssigkeitseingangs 12a gerichtet. Vorliegend schließt eine jede Axialrichtung der jeweiligen Gasausgänge 20a, 30a und die Axialrichtung 42a der Expansionseinheit 10a einen Winkel B von 135° ein. Alternativ können die Gasausgänge 20a, 30a jedoch auch abweichende Winkel annehmen. Die Gasausgänge 20a, 30a grenzen an den Expansionsraum 16a an und verlaufen von dort zu einem Oberflächenbereich auf einer Außenfläche 22a der Expansionseinheit 10a. Vorliegend sind jeweils vier Gasausgänge 20a, 30a der 16 Gasausgänge 20a, 30a bezüglich der Schwerkraftrichtung 68a übereinander angeordnet. Die jeweils vier übereinander liegenden Gasausgänge 20a, 30a sind unter einem Winkel von jeweils 90° zu einer nächstliegenden Gruppe von vier übereinander liegenden Gasausgängen auf einem Ring um die Axialrichtung 42a der Expansionseinheit 10a angeordnet.
Weiterhin nimmt eine Gesamt-Querschnittsfläche der Gasausgänge 20a, 30a ausgehend vom Flüssigkeitseingang 12a zum Trockeneisschnee-Ausgang 14a zu. Vorliegend nimmt ein Durchmesser der Gasausgänge 20a, 30a ausgehend vom Flüssigkeitseingang 12a zum Trockeneisschnee-Ausgang 14a zu. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Anzahl von Gasausgängen 20a, 30a ausgehend vom Flüssigkeitseingang 12a zum Trockeneisschnee-Ausgang 14a zunehmen, wobei die Gasausgänge 20a, 30a auch untereinander gleiche Durchmesser aufweisen können.
Der Expansionsraum 16a weist zwischen dem Flüssigkeitseingang 12a und dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a einen sich ändernden Querschnitt 18a auf. Die Querschnittsfläche des Querschnitts 18a nimmt von dem Flüssigkeitseingang 12a zu dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a zu. In einem Abschnitt 72a nahe des Flüssigkeitseingangs 12a ist der Querschnitt 18a des Expansionsraums 16a kreisförmig. Der Querschnitt 18a ist in einem Abschnitt 74a zumindest abschnittsweise kreisringförmig (vgl. 4). Der Abschnitt 74a ist bezüglich einer Schwerkraftrichtung 68a unter dem Abschnitt 72a ausgebildet.
3 zeigt eine stark vereinfachte dreidimensionale Explosionsdarstellung der Expansionseinheit 10a, in welcher insbesondere die Gasausgänge 20a, 30a der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. 4 zeigt einen Schnitt des Expansionsraums 16a entlang einer Linie A-A in 2.
Der kreisringförmige Querschnitt 18a des Expansionsraums 16a weist einen äußeren Radius 24a und einen inneren Radius 26a auf, welche beide in eine Richtung von dem Flüssigkeitseingang 12a zu dem Trockeneisschnee-Ausgang 14a zunehmen (vgl. 2). Eine Differenz zwischen dem äußeren Radius 24a und dem inneren Radius 26a bleibt dabei abschnittweise konstant. In dem Abschnitt 74a nimmt die Differenz zwischen dem äußeren Radius 24a und dem inneren Radius 26a in der Nähe des Flüssigkeitseingangs 12a ab. In einem darunter liegenden Abschnitt des Abschnitts 74a ist die Differenz zwischen dem äußeren Radius 24a und dem inneren Radius 26a konstant. Dieser Abschnitt bildet einen Großteil des Volumens des Expansionsraums 16a aus. In diesem Abschnitt ist eine Zunahme des äußeren Radius 24a und des inneren Radius 26a linear.
Die Expansionseinheit 10a weist einen Außenkörper 32a und einen separat von dem Außenkörper 32a ausgebildeten Innenkörper 34a auf. 3 zeigt verdeutlich ein Zusammenführen des Außenkörpers 32a und des Innenkörpers 34a bei einer Montage der Expansionseinheit 10a.
Der Innenkörper 34a ist innerhalb des Außenkörpers 32a angeordnet. Zwischen dem Außenkörper 32a und dem Innenkörper 34a ist der Expansionsraum 16a ausgebildet. Der Außenkörper 32a und der Innenkörper 34a sind in einem montierten Zustand durch eine Schraubverbindung fest miteinander verbunden. 2 zeigt eine Axialrichtung 44a des Innenkörpers 34a. Die Axialrichtung 44a des Innenkörpers 34a stimmt mit der Schwerkraftrichtung 68a überein. Die Axialrichtung 44a des Innenkörpers 34a stimmt mit der Axialrichtung 42a der Expansionseinheit 10a überein. Die Axialrichtung 42a des Innenkörpers 34a stimmt mit einer Axialrichtung 46a des Außenkörpers 32a überein. Die Gasausgänge 20a, 30a sind in dem Außenkörper 32a ausgebildet. Der Flüssigkeitseingang 12a ist in dem Außenkörper 32a ausgebildet. Der Trockeneisschnee-Ausgang 14a wird durch den Außenkörper 32a und den Innenkörper 34a gemeinsam ausgebildet.
Der Innenkörper 34a ist teilweise kegelartig. Der Innenkörper 34a weist einen Kegel mit einer abgerundeten Kegelspitze auf. Weiterhin weist der Kegel einen Abschnitt 76a unmittelbar oberhalb einer Kegelbasis des Kegels auf, in welchem der Kegelmantel kurvenförmig verläuft und in eine Richtung der Kegelbasis nicht linear gesteigert nach außen verläuft. Vorliegend ist der Kegel als gerader Kreiskegel ausgebildet. Die Kegelspitze ist in eine Richtung des Flüssigkeitseinganges 12a gerichtet. Weiterhin ist die Kegelbasis in Richtung des Trockeneisschnee-Ausgangs 14a gerichtet. Eine Querschnittsfläche des Querschnitts 66a des teilweise kegelartigen Innenkörpers 34a nimmt ausgehend vom Flüssigkeitseingang 12a in eine Richtung zum Trockeneisschnee-Ausgang 14a zu. Ferner nimmt die Querschnittsfläche 66a des teilweise kegelartigen Innenkörpers 34a gemeinsam mit einer Querschnittsfläche des kreisringförmigen Querschnitts 18a zu.
Der Außenkörper 32a weist eine abschnittsweise kegelstumpfförmige Ausnehmung 28a auf. In dieser Ausnehmung 28a ist der Innenkörper 34a in dem montierten Zustand teilweise aufgenommen. Der Außenkörper 32a weist in dem Abschnitt 74a eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 80a auf. In dem Abschnitt 72a weist der Außenkörper 32a eine zylinderförmige Ausnehmung 78a auf. Der Außenkörper 32a weist den Abschnitt 76a auf, in welchem ein Querschnitt einer weiteren Ausnehmung 82a eine trapezoide Form aufweist. Der zweite zylinderförmige Abschnitt 72a ist in einem Betriebszustand bezüglich einer Schwerkraftrichtung 68a oberhalb der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 80a des ersten Abschnitts 74a ausgebildet. Der zweite zylinderförmige Abschnitt 72a weist einen Radius auf, welcher einem Radius einer obersten Fläche der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 80a entspricht. Der dritte Abschnitt 76a ist in einem Betriebszustand bezüglich einer Schwerkraftrichtung 68a unterhalb der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 80a des ersten Abschnitts 74a ausgebildet. Die kegelstumpfförmige Ausnehmung 80a des ersten Abschnitts 74a entspricht einer Form eines Kegelstumpfs eines geraden Kreiskegels, dessen Kegelspitze in Richtung des Flüssigkeitseingangs 12a und dessen Basis in Richtung des Trockeneisschnee-Ausganges 14a gerichtet ist.
Eine den Expansionsraum 16a begrenzende Oberfläche 36a (nicht dargestellt) der Expansionseinheit 10a ist glatt. Der teilweise kegelartige Innenkörper 34a weist eine glatte Oberfläche auf. Die abschnittsweise kegelstumpfförmige Ausnehmung 28a weist eine glatte Oberfläche auf.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Trockeneisschnee mit der Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung 70a. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird flüssiges CO₂ 54a am Flüssigkeitseingang 12a bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird das flüssige CO₂ 54a in den Expansionsraum 16a eingebracht. Hierbei wird das flüssige CO₂ 54a mittels der Düse 52a in den Expansionsraum 16a eingespritzt, welches durch eine Druckverminderung in der Umgebung des Expansionsraums 16a schlagartig expandiert. Dadurch geht das flüssige CO₂ 54a in ein Gemisch mit einer festen und in einer gasförmigen Phase über. In einem weiteren Verfahrensschritt 104 bewegt sich das erzeugte Gemisch mittels Schwerkraft in Richtung des Trockeneisschnee-Ausgangs 14a. Währenddessen findet in dem Verfahrensschritt 104 eine Phasentrennung der erzeugten festen und gasförmigen Phase mittels der Gasausgänge 20a, 30a statt. Hierdurch kann am Trockeneisschnee Ausgang 14a CO₂-Schnee 58a mit einem besonders niedrigen Anteil von CO₂-Gas 56a bereitgestellt werden.
In den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1 bis 5, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 6 und der 7 ist der Buchstabe „a“ durch die Buchstaben „b“ und „c“ ersetzt.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel der 6 weist ein Abschnitt einer einen Expansionsraum 16b begrenzenden Oberfläche 36b einer Expansionseinheit 10b eine Strukturierung 38b auf. Diese Strukturierung 38b weist eine Makrostrukturierung 40b auf, welche spiralförmig ausgebildet ist. Die Makrostrukturierung 40b ist zudem schraubenförmig ausgebildet. Die Strukturierung 38b ist auf einem Innenkörper 34b angeordnet. Die Strukturierung 38b ist eine Makrostrukturierung 40b in Form einer konischen Spirale auf dem teilweise kegelartigen Innenkörper 34b. Die Makrostrukturierung 40b auf dem Innenkörper 34b ist vorliegend als eine Fräsung in dem Innenkörper 34b ausgebildet.
In 7 ist ein Teil einer Expansionseinheit 10c gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem sich eine Querschnittsfläche eines Querschnitts 84c eines Gasausgangs 20c ausgehend von einem Expansionsraum 16c zu einer Außenfläche 22c der Expansionseinheit 10c verändert. Dieses Ausführungsbeispiel bildet eine Weiterentwicklung der Ausführungsbeispiele a und b aus. Vorliegend nimmt die Querschnittsfläche ausgehend vom Expansionsraum 16c zu der Außenfläche 22c der Expansionseinheit 10c zu. Der Querschnitt 84c ist kreisförmig und senkrecht zu einer Axialrichtung 48c des Gasausgangs 20c ausgebildet. Die Querschnittsfläche des Querschnitts 84c nimmt entlang der Axialrichtung 48c zu. Der Gasausgang 20c weist eine gestaffelte Zunahme der Querschnittsfläche auf. Der Gasausgang 20c weist eine zumindest im Wesentlichen diskrete Zunahme 90c auf. Weiterhin wären weitere diskrete Zunahmen und/oder kontinuierliche Zunahmen denkbar. Zwischen der Zunahme 90c und dem Expansionsraum 16c ist der Gasausgang 20c als eine Entgasungsöffnung 88c ausgebildet. Zwischen der Zunahme 90c und der Außenfläche 22c der Expansionseinheit 10c ist der Gasausgang 20c als ein Entgasungsausgang 86c ausgebildet. Ein Querschnitt 92c der Entgasungsöffnung 88c ist kreisförmig. Ein Querschnitt 94c des Entgasungsausgangs 86c ist kreisförmig und weist eine größere Querschnittsfläche als der Querschnitt 92c der Entgasungsöffnung 88c auf. Die Entgasungsöffnung 88c ist vorliegend als eine Bohrung ausgebildet. Der Entgasungsausgang 86c ist vorliegend als eine Gegenbohrung zu der Entgasungsöffnung 88c ausgebildet. Weitere Gasausgänge 30c weisen eine gleiche oben genannte Konfiguration auf. Die Gasausgänge 20c, 30c weisen jeweils ein Gewinde 96c auf. Das Gewinde 96c ist zu einem Verschluss der Gasausgänge 20c, 30c mittels einer Schraube 98c mit einem Gegengewinde vorgesehen. Die Außenfläche 22c der Expansionseinheit 10c ist vorliegend entsprechend der Gasausgänge gestaffelt ausgebildet. Alternativ wäre eine flache Außenfläche 22c ohne Gewinde denkbar.
Bezugszeichen

10: Expansionseinheit
12: Flüssigkeitseingang
14: Trockeneisschnee-Ausgang
16: Expansionsraum
18: Querschnitt
20: Gasausgang
22: Außenfläche der Expansionseinheit
24: Äußerer Radius
26: Innerer Radius
28: Ausnehmung
30: Weiterer Gasausgang
32: Außenkörper
34: Innenkörper
36: Oberfläche
38: Strukturierung
40: Makrostrukturierung
42: Axialrichtung
44: Axialrichtung
46: Axialrichtung
48: Axialrichtung
50: Trockeneis-Herstellungs- und Verarbeitungssystem
52: Düse
54: Flüssiges CO₂
56: CO₂-Gas
58: CO₂-Schnee
60: Extrusionsvorrichtung
62: Förderschnecke
64: Weitere Förderschnecke
66: Querschnitt
68: Schwerkraftrichtung
70: Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung
72: Abschnitt
74: Abschnitt
76: Abschnitt
78: Ausnehmung
80: Ausnehmung
82: Ausnehmung
84: Querschnitt
86: Entgasungsausgang
88: Entgasungsöffnung
90: Zunahme
92: Querschnitt
92: Querschnitt
96: Gewinde
98: Schraube
100: Verfahrensschritt
102: Verfahrensschritt
104: Verfahrensschritt

Claims

Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a), insbesondere zur Herstellung von CO₂-Schnee (58a), mit einer Expansionseinheit (10a; 10c), welche einen Flüssigkeitseingang (12a), zumindest einen Trockeneisschnee-Ausgang (14a), zumindest einen Gasausgang (20a; 20c) und einen Expansionsraum (16a; 16c) aufweist, welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang (12a) und dem Trockeneisschnee-Ausgang (14a) angeordnet ist und welcher zwischen dem Flüssigkeitseingang (12a) und dem Trockeneisschnee-Ausgang (14a) einen sich ändernden Querschnitt (18a) aufweist, wobei der Gasausgang (20a; 20c) getrennt von dem Trockeneisschnee-Ausgang (14a) ausgebildet ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasausgang (20a; 20c) ausgehend vom Expansionsraum (16a; 16c) in Richtung des Flüssigkeitseingangs (12a) gerichtet ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (10a; 10c) eine Mehrzahl weiterer Gasausgänge (30a; 30c) aufweist, welche über eine Außenfläche (22a; 22c) der Expansionseinheit (10a; 10c) verteilt angeordnet und ausgehend vom Expansionsraum (16a; 16c) in Richtung des Flüssigkeitseingangs (12a) gerichtet sind.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Querschnittsfläche der Gasausgänge (20a; 20c; 30a; 30c) ausgehend vom Flüssigkeitseingang (12a) zum Trockeneisschnee-Ausgang (14a) zunimmt.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (16a; 16c) zumindest abschnittsweise einen zumindest im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt (18a) aufweist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Expansionsraums (16a; 16c) vom Flüssigkeitseingang (12a) zum Trockeneisschnee-Ausgang (14a) zunimmt.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein äußerer Radius (24a) als auch ein innerer Radius (26a) des kreisringförmigen Querschnitts (18a) des Expansionsraums (16a; 16c) vom Flüssigkeitseingang (12a) zum Trockeneisschnee-Ausgang (14a) zunimmt, wobei eine Differenz zwischen dem äußeren Radius (24a) und dem inneren Radius (26a) zumindest abschnittsweise zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Querschnittsfläche eines Querschnitts (84c) des Gasausgangs (20c) ausgehend vom Expansionsraum (16c) zu einer Außenfläche (22c) der Expansionseinheit (10c) verändert, und zwar insbesondere zunimmt.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (10a; 10c) einen Außenkörper (32a) und einen separat von dem Außenkörper (32a) ausgebildeten Innenkörper (34a; 34b) aufweist, welcher zumindest teilweise innerhalb des Außenkörpers (32a) angeordnet ist, wobei zwischen dem Außenkörper (32a) und dem Innenkörper (34a; 34b) der Expansionsraum (16a; 16c) ausgebildet ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (34a; 34b) zumindest teilweise kegelartig ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (32a) eine zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmige Ausnehmung (28a) zur Aufnahme zumindest eines Teils des Innenkörpers (34a; 34b) aufweist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Expansionsraum (16b) begrenzende Oberfläche (36b) der Expansionseinheit (10b) zumindest abschnittsweise eine Strukturierung (38b) aufweist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (38b) eine Makrostrukturierung (40b) aufweist, welche zumindest teilweise spiralförmig ausgebildet ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (38b) eine Makrostrukturierung (40b) aufweist, welche zumindest teilweise schraubenförmig ausgebildet ist.
Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung zumindest nach den Ansprüchen 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (38b) auf dem Innenkörper (34b) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung von Trockeneisschnee mit einer Trockeneisschnee-Erzeugungsvorrichtung (70a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.