DE19653790B4 - Methods and apparatus for freezing the liquid portion in media - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Gefrieren des Flüssigkeitsanteiles in Medien, insbesondere zum Gefrieren von Flüssigkeiten,
wobei die Medien durch einen Reaktionsraum geführt werden, in dem sie eine Abkühlung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum (1) eine zylindrische Form hat und in dem Reaktionsraum (1) eine Zentralspindel (3) mit umlaufenden Planetwalzen (2) angeordnet ist,
wobei die Zentralspindel (3) und die Planetwalzen (2) umlaufen und die Medien unter gleichzeitiger Durchmischung auf Gefriertemperatur des Flüssigkeitsanteiles gekühlt werden.Method for freezing the liquid fraction in media, in particular for freezing liquids,
wherein the media are passed through a reaction space in which they undergo cooling, characterized in that the reaction space (1) has a cylindrical shape and in the reaction space (1) a central spindle (3) is arranged with circulating planetary rollers (2),
wherein the central spindle (3) and the planetary rollers (2) rotate and the media are cooled while simultaneously mixing to freezing temperature of the liquid portion.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gefrieren des Flüssigkeitsanteiles in Medien gemäß Anspruch 1, Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 7, 8 und 9 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 13. Dies geschieht mit Hilfe eines Wärmeaustauschaggregates, wobei die Medien durch einen Reaktionsraum geführt werden, in dem sie eine Abkühlung erfahren.The The invention relates to a method for freezing the liquid fraction in media according to claim 1, device according to the preamble the claims 7, 8 and 9 and a use according to claim 13. This happens with the help of a heat exchange unit, wherein the media are passed through a reaction space in which they have a Cooling Experienced.

Besondere Probleme ergeben sich in Wärmeaustauschaggregaten immer dann, wenn aufgrund physikalisch-chemischer Gegebenheiten Einschränkungen vorgegeben sind, z.B. durch die Temperaturempfindlichkeit von Produkten oder hohe Viskosität der Medien, die zu inhomogenen Temperaturverteilungen führen können. Auch bei Auftreten von Änderungen von Aggregatzuständen ändern sich die verfahrenstechnischen Bedingungen in einem Maße, daß hier besondere Verdampferbauformen entwickelt werden mussten.Special Problems arise in heat exchange units always, if due to physical-chemical conditions restrictions are predetermined, e.g. by the temperature sensitivity of products or high viscosity the media, which can lead to inhomogeneous temperature distributions. Also when changes occur of aggregate states change the procedural conditions to an extent that special here Evaporator types had to be developed.

Die Verteilung der Kälte ist für die Kühl- und Klimatisierungssysteme von entscheidender Bedeutung. Üblicherweise wird die Kälte in einer zentralen Kühlanlage erzeugt und mit Kälteträgern in Rohrleitungsnetzen zu den Verbrauchsstellen transportiert. Bei großflächigen Verteilungsnetzen steigt der Aufwand an Installation, Überwachung und Betrieb der zugehörigen Umwälzpumpen sehr stark an. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Kälteträger möglichst großer spezifischer Kühlleistung zu verwenden, um die Abmessungen des Rohrleitungsnetzes und die umzupumpenden Mengen in Grenzen zu halten.The Distribution of the cold is for the cooling and air conditioning systems of crucial importance. Usually will the cold in a central cooling system generated and with brine in Piping networks transported to the points of consumption. For large distribution networks increases the effort of installation, monitoring and operation of the associated circulation pumps very strong. This results in the need to refrigerants as specific as possible cooling capacity to use the dimensions of the piping network and the umzupumpenden To limit quantities.

Die übertragbaren Kühlleistungen mit den üblichen Kälteträgern auf der Basis von Wasser, z.B. Kaltwasser bis etwa 5 Grad Celsius und Solemischungen unterhalb von 3 bis 5 Grad Celsius- oder Wasser-Glykol-Mischungen werden vor allem durch die spezifische Wärmekapazität des Wassers bestimmt. Es reichen ca. 4,1 kJ pro kg und Grad Celsius für die mit den wässrigen Kälteträgern übertragbaren Kühlleistungen nicht aus, weil sonst die Abmessungen der Rohrleitungsnetze zu groß würden. So werden häufig auch die zur Erzeugung der Kälte eingesetzten Kältemittel direkt umgepumpt. An den Verbrauchsstellen werden dann Verdampfer angeordnet, in denen effektiv die Kälte ausgetauscht wird.The transferable cooling capacity with the usual Brine on the base of water, e.g. Cold water to about 5 degrees Celsius and Sol mixtures below 3 to 5 degrees Celsius or water-glycol mixtures will be especially determined by the specific heat capacity of the water. It reach about 4.1 kJ per kg and degrees Celsius for those with the watery Refrigerants transferable cooling capacity not because otherwise the dimensions of the pipeline networks would be too large. So become common also for the production of cold used refrigerant pumped directly. At the consumption points then evaporator arranged, in which effectively the cold is exchanged.

Höhere spezifische Kälteleistungen können auch durch die Ausnutzung der latenten Schmelzwärmen von Inhaltsstoffen erreicht werden, die beim Phasenübergang fest-flüssig freigesetzt werden. Wasser ist in dieser Hinsicht ein sehr günstiges Medium, da die latente Schmelzwärme des Wassers mit 335 kJ pro kg sehr groß ist. Aus diesem Grunde kann mit Kälteträgern, in denen der Kühleffekt durch Schmelzen von Eis zu Wasser erzeugt wird, eine hohe spezifische Kühlleistung erreicht werden.Higher specific cooling capacities can also achieved by exploiting the latent heat of fusion of ingredients which are at the phase transition solid-liquid be released. Water is a very cheap one in this regard Medium, because the latent heat of fusion The water is very large with 335 kJ per kg. For this reason, can with Refrigerants, in which the cooling effect produced by melting ice to water, a high specific cooling capacity be achieved.

Die in den Verbrauchsstellen durch Schmelzen des Eisanteils freigesetzte "Kälte" muß in der zentralen Eiserzeugungsanlage jeweils wieder in das System eingespeist werden. Dies geschieht durch Erhöhen des Eisanteils beim Durchgang durch die Eiserzeugungsanlage. Eine derartige Eiserzeugungsanlage wird üblicherweise auf der Basis von Platten- oder Rohrbündel-Wärmetauscher realisiert. Dabei scheidet sich das Eis auf den Wandflächen der vom Kühlmedium durchströmten Austauschflächen ab und muß dann durch zusätzliche mechanische Abstreifvorrichtungen abgelöst werden. Dadurch steigt der Eisanteil in der Mischung und die damit gebundene latente Kälte immer weiter an. Die mit Eis angereicherte Mischung wird als Vorlauf mit Hilfe einer Pumpe erneut in das Kälteverteilungssystem eingespeist.The in the consumption points by melting of the ice fraction released "cold" must in the central ice making system each fed back into the system become. This is done by increasing the proportion of ice when passing through the ice-making plant. A Such ice making equipment is usually based on of plate or tube bundle heat exchangers realized. The ice separates on the wall surfaces of the cooling medium perfused Exchange surfaces and then has to by additional mechanical stripping devices are detached. This increases the Ice content in the mixture and the associated latent cold always continue on. The ice-enriched mixture is used as a forerun Help fed a pump again in the cooling distribution system.

Die auf der Basis von Platten- und Rohrbündelwärmetauschern bekannt gewordenen Eiserzeugungsaggregate sind durch die erforderlichen mechanischen Abstreifeinrichfungen aufwendig und störanfällig. Es hat sich gezeigt, daß diese Abstreifeinrichtungen mechanisch relativ stark belastet werden und deshalb nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Die Verminderung der Störanfälligkeit durch einfachere technische Lösungen wäre deshalb im Hinblick auf eine höhere Zuverlässigkeit des Gesamtsystems wünschenswert.The become known on the basis of plate and shell and tube heat exchangers Ice making units are characterized by the required mechanical Abstreifeinrichfungen consuming and prone to failure. It has shown, that these Stripping devices are mechanically relatively heavily loaded and therefore have a limited life. The reduction of susceptibility through simpler technical solutions That would be why with regard to a higher reliability of the overall system desirable.

Aus der US 2687623 ist auch ein Verfahren zum Gefrieren von Flüssigkeiten bekannt, wobei die Flüssigkeiten durch einen Reaktionsraum geführt werden, in dem sie eine Abkühlung erfahren. Dabei werden zwei, um die eigene Achse rotierende Zylinder verwendet, auf die Wasser aufgegeben und entstehendes Eis abgeschabt wird. Das Abschaben bewirkt eine um die eigene Achse rotierende Schnecke, die zwischen beiden Zylindern angeordnet ist. Die bekannte Lösung beinhaltet zwar eine Verbesserung gegenüber den anderen beschriebenen Lösungen. From the US 2687623 Also, a method for freezing liquids is known, wherein the liquids are passed through a reaction space in which they undergo a cooling. In this case, two cylinders rotating around their own axis are used, onto which water is poured off and the resulting ice scraped off. The scraping causes a rotating about its own axis worm, which is arranged between the two cylinders. Although the known solution contains an improvement over the other solutions described.

Gleichwohl hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Gefrieren des Flüssigkeitsanteils in Medien zu entwickeln, bei denen die Störanfälligkeit gering und die Wärmeaustauschleistung hoch ist.nevertheless The object of the invention is to provide a method or Devices for freezing the liquid content in media to develop in which the susceptibility low and the heat exchange performance is high.

Das wird nach der Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruches bzw. der Ansprüche 7, 8, 9 und 13 erreicht. Die erfindungsgemäßen Merkmale des Hauptanspruchs eine Planetwalzenanordnung, die für die Eiserzeugung sehr vorteilhaft ist. Dabei wird die sich auf den gekühlten Flächen bildende Eisschicht durch den mechanischen Eingriff der Verzahnungen, der von den umlaufenden Planetenspindeln ausgeübt wird, ständig abgelöst und in die Mischung überführt.The is according to the invention with the features of the main claim or the claims 7, 8, 9 and 13 reached. The features of the main claim according to the invention a planetary roller arrangement, which is very advantageous for ice production is. In this case, the ice formed on the cooled surfaces through mechanical engagement of teeth, that of revolving Planetary spindles exercised will, constantly superseded and transferred to the mixture.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmeaustauscher realisiert, der hinsichtlich der Behandlung von Fluiden höherer Viskosität sowie bei der Änderung von Aggregatzuständen besondere Vorteile aufweist.With the present invention, a heat exchanger is realized, with regard to the treatment of fluids of higher viscosity and at the change of aggregate states has special advantages.

Die Erfindung beinhaltet eine sinnreiche Verkopplung von thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften, die sich gegenseitig begünstigen.The Invention involves an ingenious coupling of thermodynamic and mechanical properties that favor each other.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt:
In einem zylindrischen Reaktionsraum 1 werden Planetenwalzen 2 um eine angetriebene zentrale Walze, die als Spindel 3 wirkt, angeordnet. Die in Berührung tretenden Außenflächen der Komponenten sind mit einer Schrägverzahnung versehen, die als Evolventenverzahnung ineinander greifen. Hierdurch ergibt sich bei einer Drehung der Zentralspindel 3 gleichzeitig eine Drehung der Planetenwalzen 2 um die Zentralspindel 3 sowie ein Abrollen der Planetenwalzen 2 auf der äußeren Begrenzungsfläche. Die Planetenbewegung bewirkt eine intensive Durchmischung des gesamten Fluids sowie ein Auswalzen und Kontaktieren einer dünnen Grenzschicht zwischen den Berührungsflächen. Durch diese physikalischen Bedingungen werden besonders günstige Austauschbedingungen erreicht. Durch Temperieren von Außenwand des Reaktionsraums 1, Planetenwalzen 2 und Zentralspindel 3 ergibt sich ein hoher Wärmedurchgang, unterstützt von der Flächenvergrößerung der Verzahnung. Damit ergibt sich eine hohe Wärmeaustauschleistung pro Bauvolumen.In the drawing an embodiment of the invention is shown:
In a cylindrical reaction space 1 become planetary rollers 2 around a driven central roller acting as a spindle 3 acts, arranged. The coming into contact outer surfaces of the components are provided with a helical toothing, which engage as involute toothing. This results in a rotation of the central spindle 3 simultaneously a rotation of the planetary rollers 2 around the central spindle 3 and a rolling of the planetary rollers 2 on the outer boundary surface. The planetary motion causes an intensive mixing of the entire fluid as well as a rolling and contacting a thin boundary layer between the contact surfaces. Due to these physical conditions, particularly favorable exchange conditions are achieved. By tempering the outer wall of the reaction space 1 , Planetary rollers 2 and central spindle 3 results in a high heat transfer, supported by the increase in area of the teeth. This results in a high heat exchange performance per volume.

Gleichzeitig wird durch die aufeinander ablaufenden Walzen an den Berührungslinien eine gerichtete Kraft entsprechend der Schrägverzahnung erzeugt, die an den Kontaktflächen eine Abstreifwirkung ausübt, durch die etwaige Ablagerungen zugleich abgelöst werden. Hierdurch wird ein ständiger Selbstreinigungseffekt bewirkt, der die verfahrenstechnische Zuverlässigkeit des Aggregates sichert.simultaneously is due to the successive rolls on the lines of contact generates a directed force corresponding to the helical toothing, the the contact surfaces exerts a wiping action, be replaced by the possible deposits at the same time. This will be a constant self-cleaning effect causes the procedural reliability of the unit ensures.

Claims (13)

Verfahren zum Gefrieren des Flüssigkeitsanteiles in Medien, insbesondere zum Gefrieren von Flüssigkeiten, wobei die Medien durch einen Reaktionsraum geführt werden, in dem sie eine Abkühlung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum (1) eine zylindrische Form hat und in dem Reaktionsraum (1) eine Zentralspindel (3) mit umlaufenden Planetwalzen (2) angeordnet ist, wobei die Zentralspindel (3) und die Planetwalzen (2) umlaufen und die Medien unter gleichzeitiger Durchmischung auf Gefriertemperatur des Flüssigkeitsanteiles gekühlt werden.Method for freezing the liquid fraction in media, in particular for freezing liquids, wherein the media are passed through a reaction space in which they undergo cooling, characterized in that the reaction space ( 1 ) has a cylindrical shape and in the reaction space ( 1 ) a central spindle ( 3 ) with circulating planetary rollers ( 2 ), wherein the central spindle ( 3 ) and the planetary rollers ( 2 ) and the media are cooled while simultaneously mixing to the freezing temperature of the liquid portion. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Eiserzeugung.Process according to claim 1, characterized by ice production. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Eiserzeugung von dünnen Schichten.Method according to claim 1, characterized by Ice production of thin Layers. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Reaktionsraumes (1) und die Zentralspindel (3) temperiert werden, wobei das Temperierungsmittel durch einen Doppelmantel der Wand und durch Kanäle der Zentralspindel (3) strömt.Process according to Claim 1, characterized in that the wall of the reaction space ( 1 ) and the central spindle ( 3 ), wherein the tempering agent through a double jacket of the wall and through channels of the central spindle ( 3 ) flows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer Eis-Wassermischung.Method according to one of claims 1 to 4, characterized by producing an ice-water mixture. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis durch eine Schrägverzahnung von Zentralspindel, Planetwalzen und umgebender Wand des Reaktionsraums (1) aus dem Reaktionsraum (1) ausgetragen wird.Process according to Claims 2 to 5, characterized in that the ice is formed by a helical toothing of the central spindle, planetary rollers and surrounding wall of the reaction space ( 1 ) from the reaction space ( 1 ). Vorrchtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen vertikal angeordneten, zylindrischen Reaktionsraum.For the implementation of the procedure the claims 1 to 6, characterized by a vertically arranged, cylindrical Reaction chamber. Vorrichtung zur Durchfüchrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Reaktionsraum (1), Planetwalzen (2) und eine Zentralspindel (3), wobei die Planetwalzen (2) sowohl die Wandfläche des Reaktionsraumes (1) als auch die Zentralspindel (3) berühren, so daß durch eine Drehung der Zentralspindel (3) die Planetwalzen (2) die Zentralspindel (3) herum bewegt werden und zum anderen auf der Wandfläche des Reaktionsraumes (1) abrollen.Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, characterized by a cylindrical reaction space ( 1 ), Planetary rollers ( 2 ) and a central spindle ( 3 ), wherein the planetary rollers ( 2 ) both the wall surface of the reaction space ( 1 ) as well as the central spindle ( 3 ), so that by a rotation of the central spindle ( 3 ) the planetary rollers ( 2 ) the central spindle ( 3 ) and on the other hand on the wall surface of the reaction space ( 1 ). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Reaktionsraum (1), Planetwalzen (2) und eine Zentralspindel (3), wobei die Wandfläche des Reaktionsraumes (1) sowie die Oberflächen von Planetwalzen (2) und Zentralspindel (3) eine Schrägverzahnung aufweisen.Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, characterized by a cylindrical reaction space ( 1 ), Planetary rollers ( 2 ) and a central spindle ( 3 ), wherein the wall surface of the reaction space ( 1 ) as well as the surfaces of planetary rollers ( 2 ) and central spindle ( 3 ) have a helical toothing. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägverzahnung an der Wandfläche, an den Planetwalzen (2) und an der Zentralspindel (3) meinandergreifen und bei einer Drehung der Zentralspindel (3) jeweils ineinander abrollen.Apparatus according to claim 9, characterized in that the helical gearing on the wall surface, on the planetary rollers ( 2 ) and at the central spindle ( 3 ) and upon rotation of the central spindle ( 3 ) roll into each other. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetwalzen (2), die Zentralspindel (3) und die Wand des Reaktionsraumes (1) mechanisch entkoppelt sind.Apparatus according to claim 9, characterized in that the planetary rollers ( 2 ), the central spindle ( 3 ) and the wall of the reaction space ( 1 ) are mechanically decoupled. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetwalzen (2) unabhängig von der Zentralspindel (3) antreibbar sind.Apparatus according to claim 11, characterized in that the planetary rollers ( 2 ) independent of the central spindle ( 3 ) are drivable. Verwendung der Eis-Wassermischung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kälteträger in einem Kühlsystem eingesetzt wird.Use of the ice-water mixture according to claim 5, characterized in that they serve as a refrigerant in a cooling system is used.
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