DE19938044C1 - Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Eiskristallen - Google Patents
Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus EiskristallenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Einkristallen. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Eisgenerator besteht aus einem Wärmetauscher mit mehreren Rohren für einen wäßrigen Kälteträger, die annähernd geradlinig nebeneinander in einem Behältnis für ein Kältemittel verlaufen. Weiterhin ist ein Mechanismus zum Entfernen von an Innenwandungen der Rohre niedergeschlagenem Eis vorgesehen. Der Mechanismus umfaßt in den Rohren verlaufende Abstreifeinrichtungen sowie einen Antrieb für die Abstreifeinrichtungen. Die Abstreifeinrichtungen sind erfindungsgemäß aus entlang der Rohrachsen miteinander verbundenen Abstreifelementen gebildet, deren Umfang im wesentlichen dem Innenumfang der Rohre entspricht, und die einen Durchlaß für den Kälteträger aufweisen. Die Abstreifeinrichtungen sind mit dem Antrieb verbunden, der diese zur wiederkehrenden Hubbewegung entlang der Rohrachsen antreibt. DOLLAR A Mit dem Eisgenerator kann auf einfache Weise eine höhere Eiserzeugungsleistung pro Bauvolumen erreicht werden als mit bekannten Geräten auf Basis von Rohrbündel-Wärmetauschern.
Description
Die Erfindung betrifft einen Eisgenerator zur
Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Eiskristallen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Bereich der Kältetechnik spielt Wasser als
Kälteträger aufgrund der günstigen Verfügbarkeit und
Umweltverträglichkeit eine große Rolle. Besondere
Vorteile bietet hierbei der Einsatz von sogenanntem
Ice-slurry, einer wäßrigen Suspension aus kleinen
Eiskristallen. Da diese Suspension in fließfähigem
Zustand vorliegt, kann Ice-slurry wie eine Flüssigkeit
durch Rohrleitungen gepumpt werden. Andererseits weist
dieser Kälteträger aufgrund der für die Phasenumwand
lung der Eiskristalle zu Wasser erforderlichen Schmelz
wärme eine hohe Energiedichte auf. Ice-slurry ist daher
ein ideales Medium zum Transport und zur Verteilung von
Kälte.
Beispielhafte Anwendungsgebiete dieses Mediums
sind die Klimatisierung von Gebäuden, der Einsatz in
Nahkältenetzen, die Kühlung von Lagerräumen und die
Kühlung von Produktionsprozessen, beispielsweise in
Milchwerken.
Für die Verteilung der Kälte auf die jeweiligen zu
kühlenden Objekte ist in der Regel ein ausgedehntes
Rohrnetz erforderlich. Aufgrund der hohen Energiedichte
von Ice-slurry erfordert der Einsatz dieses Mediums als
Kälteträger deutlich geringere Rohrdurchmesser der
Transportleitungen als bei Einsatz von reinem Wasser
als Kälteträger. Dies führt zu Einsparungen bei den
Baukosten des Kältenetzes. Weiterhin erlauben diese
Wasser-Eis-Suspensionen einen sehr gleichmäßigen
Kühlprozeß, da die Phasenumwandlung bei einer nahezu
konstanten Temperatur erfolgt.
Die zur Kühlung eingesetzten Kühl- bzw. Kälte
anlagen bestehen hauptsächlich aus dem Eisgenerator
bzw. Eiserzeuger, einem Eisspeicherbehälter, einem
Rührer, Umwälzpumpen sowie den zur Kälteübertragung auf
die zu kühlenden Objekte erforderlichen Wärmetauschern
verschiedenster Bauart.
Im Stand der Technik sind derzeit unterschiedliche
Konzepte zur Erzeugung von Ice-slurry bekannt.
So werden bei großen Kälteanlagen häufig Vakuum
eiserzeuger eingesetzt, die am Tripelpunkt des Wassers
arbeiten. Das zu kühlende bzw. das zu einer Wasser-Eis-
Suspension zu transformierende Wasser wird in Vakuum
eiserzeugern auf den dort herrschenden Druck des
Tripelpunktes entspannt. Durch die Expansion verdampft
ein Teil des Wassers und entzieht dem System Wärme.
Hierdurch bilden sich in der Wasserphase feinverteilte
Eiskristalle.
Aufgrund der hohen Bereitstellungskosten dieser
Systeme werden sie allerdings nur in Anlagen einge
setzt, die große Kälteleistungen erfordern. Ein
weiterer Nachteil der Vakuumeiserzeuger besteht darin,
daß die Temperatur der Wasser-Eis-Suspension in der
Nähe des Tripelpunktes von Wasser liegen muß.
Suspensionen mit tieferen Temperaturen von beispiels
weise -10°C können bisher nicht bereitgestellt werden.
Bei einem weiteren bekannten Konzept, das unter
dem Begriff "Supercooler" eingeführt ist, wird das
Wasser langsam unterkühlt und die Eiskristallbildung im
Verdampfer zunächst durch eine möglichst gleichmäßige,
ungestörte Strömung unterdrückt. In einem in Strömungs
richtung folgenden turbulenten Bereich kristallisiert
dann das Eis - vergleichbar dem Kristallisationsprozeß
beim Vakuumeiserzeuger - in der Wasserphase aus.
Ein Nachteil dieses Systems besteht allerdings
darin, daß durch die nur begrenzt mögliche Unterkühlung
pro Strömungsvolumen des Systems nur eine geringe Menge
an Eiskristallen gebildet werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht von einem weiteren
bekannten Verfahren zur Erzeugung von Ice-slurry aus,
dessen Eisgeneratoren mit dem Oberbegriff Eiskratzer
umschrieben werden können. Eiskratzer bestehen in der
Regel aus einem Wärmetauscher, der auf der einen Seite
von verdampfendem Kältemittel und auf der anderen Seite
von Wasser oder einem wäßrigen Medium als Kälteträger
durchströmt wird. Auf der Wärmetauscherfläche bilden
sich aufgrund des Wärmeentzugs durch das verdampfende
Kältemittel Eiskristalle, die durch einen Kratz- bzw.
Abstreifmechanismus von der Wärmetauscherwandung
entfernt werden. Hierbei reichern sich die Eiskristalle
im Wasser bzw. wäßrigen Medium an und fließen mit
diesem aus dem Eiserzeuger. Der Abstreifmechanismus
kann beispielsweise durch starre Kratzer oder flexible
Wischer realisiert werden. Die Abstreifmechanismen
werden von außen, beispielsweise durch einen Elektro
motor, angetrieben.
Ein Vorteil der Eiskratzer liegt vor allem in
ihrer Störungsunempfindlichkeit und den flexiblen
Einsatzmöglichkeiten.
Eiskratzer sind im wesentlichen in zwei Bauformen
bekannt. Eine dieser Bauformen basiert auf einem
Doppelrohr-Wärmetauscher. Das flüssige Kältemittel wird
im Ringspalt zwischen den beiden Rohren verdampft.
Durch das Innenrohr wird die wäßrige Flüssigkeit
gepumpt, die an der gekühlten Oberfläche einfriert und
dort Eiskristalle bildet. Bevor sich eine feste Eis
schicht bilden kann, werden die Eiskristalle von im
Innenrohr angeordneten rotierenden Schabern entfernt
und bilden mit der durchströmenden wäßrigen Flüssigkeit
eine wäßrige Suspension. Die rotierenden Schaber werden
mit einem Elektromotor angetrieben.
Ein Beispiel für eine derartige Bauform eines
Eiskratzers ist der DE 197 07 635 A1 zu entnehmen. Bei
dieser Ausgestaltung werden die Eiskristalle von der
Innenwandung des zentralen Rohres mit Hilfe einer
Förderschnecke, die als archimedische Schraube
ausgebildet ist, abgeschabt.
Die GB 2 232 469 beschreibt eine Eismaschine in
Form eines Doppelrohr-Containers, bei der im inneren
zylinderförmigen Volumen das wässrige Medium und in der
äußeren Ummantelung das Kältemittel vorgesehen sind.
Das Eis wird hierbei von der Innenwandung mit Hilfe
einer entlang der Achse angeordneten rotierenden
Rotoranordnung mit seitlichen Eisschabern abgekratzt.
Der Rotor hat jedoch einen erheblichen Raumbedarf.
Da die Eiserzeugungsleistung eines Eiskratzers
jedoch näherungsweise linear von der Wärmetauscher
fläche abhängt, ist die mit dem Doppelrohr-Wärme
tauscher erzielbare Kälteleistung für viele Einsatz
bereiche zu gering.
Größere Leistungen lassen sich nur entweder durch
Parallelschaltung mehrerer dieser Doppelrohr-Wärme
tauscher oder durch Vergrößerung des Rohrdurchmessers
erreichen. Eine Vervierfachung des Rohrdurchmessers
erhöht jedoch die Wärmetauscherfläche nur um den Faktor
4, während gleichzeitig das Volumen um den Faktor 16
steigt. Dies führt zu einer Baugröße, die für den
praktischen Einsatz nicht geeignet ist. Die Parallel
schaltung mehrerer Doppelrohr-Wärmetauscher ist
aufgrund der Kosten der einzelnen Doppelrohr-Wärme
tauscher aus wirtschaftlichen Gründen zumeist
uninteressant.
Zur Erzeugung höherer Kälteleistungen bei akzep
tabler Baugröße werden daher in der Regel Rohrbündel-
Wärmetauscher bzw. -verdampfer eingesetzt, wie sie
beispielsweise in H. L. von Cube et al., "Lehrbuch der
Kältetechnik", Bd. 1, 4. Aufl., Müller Verlag Heidel
berg, S. 298-300, beschrieben sind. Diese bestehen aus
mehreren parallel zueinander verlaufenden Rohren für
den wäßrigen Kälteträger, die in einem Behältnis für
das Kältemittel verlaufen. Bei einem senkrechten Rohr
bündelverdampfer wird die wäßrige Flüssigkeit am oberen
Rohrboden eingespeist und bildet an den Rohrinnenseiten
einen Fallfilm. In den Mantelraum, d. h. den Zwischen
raum zwischen den Rohren und der Behältniswand, wird
ein Kältemittel eingebracht, das dort verdampft, so daß
sich an den Rohrinnenseiten aufgrund des Wärmeentzugs
durch den Verdampfungsprozeß Eiskristalle nieder
schlagen. In den Rohren hängen metallische Stäbe, die
über Exzenterplatten so bewegt werden, daß sie die
Rohrinnenseiten permanent umlaufend berühren und die
Eiskristalle dabei abschlagen. Diese Schleuderstangen
bzw. die mit ihnen verbundenen Exzenterplatten werden
durch einen gemeinsamen Elektromotor angetrieben.
Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher haben den
Vorteil einer im Vergleich zu Doppelrohr-Wärmetauschern
deutlich größeren Wärmetauscherfläche bei kompakter
Baugröße. Die Schleuderstangen müssen aufgrund des
Funktionsprinzips allerdings einigermaßen massiv
ausgeführt sein und benötigen durch ihren exzentrischen
Antrieb zusätzlichen Raum, so daß ein bestimmter
Mindestdurchmesser der Rohre nicht unterschritten
werden kann. Dies verhindert den Einsatz sehr kleiner
und damit hinsichtlich der Eiserzeugungsleistung
effektiver Innenrohre, so daß die auf das Apparate
volumen bezogene Leistung derartiger Eiserzeuger nicht
erhöht werden kann.
Die GB 2 285 500 offenbart einen Eisgenerator, der
einen Wärmetauscher mit mehreren in einem Behältnis
angeordneten Rohren aufweist. Bei diesem Eisgenerator
befindet sich der wässrige Kälteträger im Behältnis,
während das Kältemittel durch die Rohre fließt. Durch
diese Betriebsweise setzen sich die Eiskristalle an den
Außenwandungen der Rohre nieder. Zum Abstreifen der
Eiskristalle wird eine plattenförmig ausgebildete
Abstreifeinrichtung, die Öffnungen für die Rohre
aufweist, mit einer wiederkehrenden Hubbewegung beauf
schlagt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen
Suspension aus Eiskristallen bereitzustellen, der eine
hohe Leistung pro Bauvolumen ermöglicht. Der Eis
generator soll weiterhin einfach und kostengünstig
realisierbar sein.
Die Aufgabe wird mit dem Eisgenerator nach
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des
Eisgenerators sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Eisgenerator besteht aus
einem Wärmetauscher, vorzugsweise in der Bauform eines
Rohrbündel-Wärmetauschers, mit mehreren Rohren für
einen wäßrigen Kälteträger, die annähernd geradlinig
nebeneinander in einem Behältnis für ein Kältemittel
verlaufen. Weiterhin ist ein Mechanismus zum Entfernen
von an Innenwandungen der Rohre niedergeschlagenem Eis
vorgesehen. Der Mechanismus umfaßt in den Rohren ver
laufende Abstreifeinrichtungen sowie einen Antrieb für
die Abstreifeinrichtungen. Die Abstreifeinrichtungen
sind erfindungsgemäß aus entlang der Rohrachsen mit
einander verbundenen Abstreifelementen gebildet, deren
Umfang im wesentlichen dem Innenumfang der Rohre
entspricht, und die einen zentralen Durchlaß für den
Kälteträger aufweisen, so daß sie den Durchfluß des
Kälteträgers durch die Rohre nur geringfügig behindern.
Die Abstreifeinrichtungen sind mit dem Antrieb
verbunden, der
diese zur wiederkehrenden Hubbewegung entlang der
Rohrachsen antreibt.
Die Abstreifelemente sind hierbei so ausgebildet,
daß sie bei Bewegung entlang der Rohrachsen mit ihren
äußeren Begrenzungen an der Innenwandung der Rohre
gebildetes Eis abstreifen. Hierfür ist es erforderlich,
daß der Durchmesser der Abstreifelemente in der Ebene
senkrecht zur Rohrachse im wesentlichen dem Durchmesser
der Rohre entspricht. Selbstverständlich muß diese
Bedingung nicht exakt eingehalten werden. Es können
vielmehr kleine Zwischenräume zwischen den Abstreif
elementen und der Rohrinnenwandung bestehen, solange
der Funktion des Abstreifens von Eiskristallen noch
erfüllt wird. Die Anpassung des Umfangs der Abstreif
elemente an den Innenumfang der Rohre bedeutet hierbei,
daß die Abstreifelemente bei Draufsicht in Richtung der
Rohrachse die Umfangsform des Innenrohres aufweisen.
Die Abstreifelemente weisen weiterhin einen großzügigen
Durchlaß für den Kälteträger auf, damit dieser nahezu
ungehindert durch das Rohr strömen kann.
Es versteht sich von selbst, daß die durch den
Antrieb erzeugte Hubbewegung einen ausreichend großen
Hub erzeugen muß, damit ein Zwischenraum zwischen
einzelnen Abstreifelementen der Abstreifeinrichtungen
durch die Hubbewegung überstrichen wird.
Die Abstreifelemente können hierbei entlang der
Rohrachse unterschiedliche gegenseitige Abstände
zueinander aufweisen, sind jedoch vorzugsweise in
gleichen Abständen zueinander angeordnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
weisen die Abstreifeinrichtungen die Form einer
Schraubenfeder auf, wobei eine Windung der Schrauben
feder einem Abstreifelement entspricht.
Das Material der Schraubenfeder kann dabei derart
starr sein, daß diese keine Elastizität entlang der
Rohrachse aufweist. Die Schraubenfeder kann jedoch auch
elastisch ausgebildet sein, so daß die Abstreifeinrich
tung während der Hubbewegung eine Eigenschwingung
ausführt.
Eine derartig in Form einer Schraubenfeder aus
gestaltete Abstreifeinrichtung hat insbesondere den
Vorteil der einfachen Herstellbarkeit und der optimalen
Beaufschlagung der Rohrinnenwandung bei geringem Platz
bedarf. Durch das geringe Materialvolumen der Schrau
benfeder und den großzügigen zentralen Durchlaß wird
das Durchströmen des Kälteträgers durch das Rohr nicht
behindert. Die Hubbewegung wird hierbei an die Ganghöhe
der Schraubenfeder angepaßt - oder umgekehrt -, so daß
bei geringer Ganghöhe auch nur ein geringer Hub
erforderlich ist.
Der Einsatz eines Rohrbündel-Wärmetauschers
gewährleistet eine hohe Eiserzeugungsleistung bei
kompakter Bauform. Der Mantelraum wird von verdampfen
dem Kältemittel aus einem konventionellen Verflüssiger
satz durchströmt. Die Rohre des Rohrbündels werden von
der wäßrigen Phase des Kälteträgers durchströmt. Der
Kälteträger kann hierbei aus reinem Wasser oder aus
Wasser mit Zusätzen von den Gefrierpunkt erniedrigenden
Stoffen bestehen, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt sind. Durch das verdampfende Kältemittel bildet
sich in den Rohren durch den Wärmeentzug eine Eis
kristallschicht, die permanent durch die Abstreif
einrichtungen entfernt wird. In jedem Rohr befindet
sich eine dieser Abstreifeinrichtungen, deren Außen
durchmesser im wesentlichen dem Rohrinnendurchmesser
entspricht. Durch die Bewegung der Abstreifeinrich
tungen längs der Rohrachsen wird das an den Rohrinnen
wandungen haftende Eis abgestreift.
Die Abstreifeinrichtungen treten vorzugsweise am
Ende des Rohrbündels aus den Innenrohren heraus und
sind mit einer gemeinsamen Antriebsplatte verbunden.
Durch die besondere Ausgestaltung der Abstreif
einrichtungen in Verbindung mit dem Antrieb, der eine
wiederkehrende Hubbewegung der Abstreifeinrichtungen
entlang der Rohrachsen erzeugt, können die Rohre selbst
mit sehr geringem Durchmesser ausgeführt werden. So
lassen sich ohne Probleme Eisgeneratoren mit Rohrinnen
durchmessern von weniger als 10 mm betreiben.
An die Stabilität der Abstreifeinrichtungen werden
keine hohen Anforderungen gestellt. Diese können
entlang der Rohrachsen auch elastisch ausgeführt sein.
Hierbei ist es lediglich notwendig, daß die Abstreif
elemente mit ihrem äußeren Umfang die Rohrinnenwandung
berühren bzw. nahezu berühren. Der gesamte Zwischenraum
zwischen den äußeren Begrenzungen der Abstreifelemente
steht für den Durchlaß des Kälteträgers zur Verfügung.
Durch die mit der vorliegenden Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik mögliche Verkleinerung der
Rohrinnendurchmesser lassen sich höhere Eiserzeugungs
leistungen realisieren. Mit dem erfindungsgemäßen
Eisgenerator kann somit eine höhere Eiserzeugungs
leistung pro Bauvolumen bzw. Baugröße erreicht werden.
Die Verringerung der Rohrinnendurchmesser wird durch
den erfindungsgemäßen den Strömungsquerschnitt nur
minimal verengenden Abstreifmechanismus ermöglicht. Die
Ausgestaltung des Abstreifmechanismus, beispielsweise
durch Einsatz einer Schraubenfeder, läßt sich mit
vergleichsweise geringen Kosten realisieren.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Eis
generators besteht darin, daß die Rohre aufgrund des
erfindungsgemäßen Abstreifmechanismus nicht unbedingt
einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen,
sondern daß zur Erhöhung des Oberflächen-Volumen-
Verhältnisses auch nicht-kreisförmige, wie eckige oder
ovale Querschnitte vorgesehen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die
Abstreifeinrichtungen nicht von einem äußeren Antrieb,
wie beispielsweise einem Elektromotor, sondern durch
die pulsierende Strömung des Kälteträgers angetrieben.
Dies erfolgt über eine in der Strömung des Kälteträgers
vorgesehene Platte, die gegenüber den Rohrenden schwin
gungsfähig gelagert ist und durch die Pulsation der
Strömung in Schwingungen versetzt wird. Die Schwin
gungsbewegung wird direkt auf die Abstreifeinrichtungen
übertragen. Hierdurch werden die Eiskristalle konti
nuierlich von der Rohrwand abgestreift und mit der
Strömung ausgetragen. Diese Technik spart nicht nur ein
Antriebsaggregat ein, sondern erhöht auch die system
inhärente Sicherheit, da der Abstreifmechanismus auto
matisch mit der Durchströmung des Eiserzeugers ein-
bzw. aussetzt.
Werden die Abstreifeinrichtungen hierbei in Längs
richtung elastisch ausgestaltet, so daß sie Eigen
schwingungen ausführen können, so treten die Eigen
schwingungen dieser Abstreifeinrichtungen verstärkend
zu den Antriebsschwingungen hinzu.
Eine Pulsation der Strömung für den Antrieb der
Abstreifeinrichtungen wird bei Einsatz einer Verdrän
gungspumpe im Kälteträgerkreislauf des Kältenetzes oder
der Kälteanlage automatisch erzeugt. Sollte im Kälte
netz eine Kreiselpumpe eingesetzt sein, so kann die
Pulsation durch Rohreinbauten erzeugt werden, die den
Rohrquerschnitt alternierend freigeben oder ver
schließen. Diese Einbauten können pendelnde oder
rotierende Systeme sein. Der Antrieb der Rohreinbauten
kann wiederum durch die Strömung selbst oder von außen,
z. B. mit einem Elektromotor, erfolgen.
Es versteht sich jedoch von selbst, daß statt des
oben beschriebenen Pulsationsantriebs der Abstreifein
richtungen auch ein entsprechender Mechanismus mit
einem äußeren Antrieb, wie einem Elektromotor, vorge
sehen sein kann.
Der erfindungsgemäße Eisgenerator wird nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Beispiel für eine
Abstreifeinrichtung des erfindungsgemäßen
Eisgenerators;
Fig. 2 schematisch ein zweites Beispiel für eine
Abstreifeinrichtung des erfindungsgemäßen
Eisgenerators;
Fig. 3a/b zwei Beispiele für die mögliche Rohr
querschnitte des Eisgenerators;
Fig. 4 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Eisgenerator mit einem pulsierenden Antrieb
im Querschnitt; und
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für einen erfindungs
gemäßen Eisgenerator mit einem pulsierenden
Antrieb im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für die
Ausgestaltung einer Abstreifeinrichtung 1 in einem Rohr
2 des Rohrbündel-Wärmetauschers. Die Abstreifein
richtung weist in diesem Beispiel die Form einer
zylindrischen Schraubenfeder, vorzugsweise aus einem
Metall, auf, die sich entlang der Rohrachse erstreckt.
Der Durchmesser der Schraubenfeder entspricht in diesem
Beispiel exakt dem Innendurchmesser der Rohrwandung.
Hierbei wird jedes Abstreifelement der Abstreifein
richtung 1 durch eine volle Windung der Schraubenfeder
gebildet, so daß von jedem einzelnen Abstreifelement
der volle Innenumfang des Rohres abgedeckt wird. Diese
Form der Abstreifeinrichtung läßt dem Kälteträger
ausreichend Raum zum Durchströmen des Rohres, da sie
den Rohrquerschnitt kaum verringert.
Der Antrieb für eine derartige Abstreifeinrichtung
bewegt diese entlang der Rohrachse mit einem Hub hin
und her, der zumindest der Ganghöhe der Schraubenfeder
entspricht. Die Hubbewegung ist in der Figur durch den
Pfeil angedeutet. Durch diese Bewegung wird in Verbin
dung mit der Form der Abstreifeinrichtung jeder
Flächenbereich auf der Innenwandung des Rohres mit
einer Hubbewegung erfaßt. Die Eiskristalle können ent
sprechend effizient abgeschabt bzw. abgekratzt werden.
Ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung der
Abstreifeinrichtungen ist in Fig. 2 schematisch
gezeigt. In diesem Beispiel sind die Abstreifelemente
der Abstreifeinrichtung 1 als Ringe 3 ausgebildet, die
entlang des Rohres 2 über Verbindungselemente 4 in Form
von dünnen Stangen zu einem zylindrischen Ringgitter
miteinander verbunden sind. Die Ringe weisen den
gleichen Umfang wie die Innenwandung des Rohres 2 auf
und sind in gleichen Abständen zueinander entlang des
Rohres angeordnet. Die zentrale Öffnung der Ringe läßt
dem Kälteträger genügend Freiraum, so daß die Rohr
durchmesser durch die Abstreifeinrichtungen 1 nicht
begrenzt sind und sehr klein gewählt werden können. Der
Antriebshub entspricht in diesem Fall zumindest dem
Abstand der Abstreifelemente damit auch in diesem Fall
mit jedem Hub die gesamte Innenfläche des Rohres
abgeschabt werden kann.
In den Fig. 3a und 3b sind in Draufsicht zwei
Ausführungsformen für die mögliche Ausgestaltung und
Anordnung der Rohre 2 des Rohrbündel-Wärmetauschers im
Behältnis 5 für das Kältemittel dargestellt.
Während in Fig. 3a die übliche Ausgestaltung mit
kreisrunden Rohrquerschnitten gezeigt ist, umfaßt die
Ausgestaltung der Fig. 3b Rohre 2 mit elliptischen
bzw. ovalen Querschnitten. Bei einer derartigen Ausge
staltung lassen sich ebenfalls Abstreifeinrichtungen
wie die der Fig. 1 und 2 einsetzen, wobei die
Schraubenfeder (Fig. 1) bzw. die ringförmigen Abstreif
elemente (Fig. 2) hier einen entsprechend angepaßten
nicht kreisförmigen, sondern elliptischen Querschnitt
aufweisen würden.
Diese Ausführungsform wird bei der vorliegenden
Erfindung dadurch ermöglicht, daß die Abstreif
einrichtungen nicht rotierend, sondern axial zur
Rohrführung angetrieben werden. Hierdurch lassen sich
beliebige - auch eckige - Rohrinnenquerschnitte
realisieren.
Der in diesem Beispiel dargestellte ovale Quer
schnitt der Rohre ermöglicht gegenüber einem kreis
runden Querschnitt eine insgesamt größere Rohrinnen
oberfläche und somit eine größere Eiserzeugerleistung
bei gleicher Baugröße des Eisgenerators. Durch die
Möglichkeit der freien Gestaltung des Rohrquerschnittes
läßt sich auch die Strömung in den Rohren 2 und im
Mantelraum 6 optimieren.
Die Fig. 4 und 5 zeigen schließlich schematisch
zwei Ausführungsformen eines Eisgenerators, bei denen
die pulsierende Strömung des Kälteträgers als Antrieb
genutzt wird. Bei beiden Ausführungsformen lassen sich
selbstverständlich die Rohre 2 sowie die Abstreifele
mente 1 wie bei den vorhergehenden Beispielen ausge
stalten.
Beide Ausführungsformen weisen einen Rohrbündel-
Wärmetauscher mit einem Behältnis 5 auf, in dem mehrere
Rohre 2 parallel zueinander angeordnet sind. In beiden
Figuren sind der Zulauf 7 und der Ablauf 8 für das im
Mantelraum 6 verdampfende Kältemittel sowie die in den
Rohren verlaufenden schematisch angedeuteten Abstreif
einrichtungen 1 zu erkennen. Der wäßrige Kälteträger
durchströmt die Rohre 2 in diesen Beispielen durch
entsprechend vorgesehene Öffnungen an den Rohrenden von
links nach rechts, wie durch die Pfeile angedeutet ist.
Vorzugsweise ist der Rohrbündel-Wärmetauscher
jedoch stehend gelagert, wobei er von der wäßrigen
Phase von unten nach oben durchströmt wird. Hierdurch
wird der Eisaustrag mit der Strömung durch die Auf
triebskraft der Eiskristalle unterstützt.
Die Abstreifeinrichtungen 1 treten an einem Ende
des Rohrbündels aus den Rohren heraus und sind an einer
Rohrbodenplatte 9 befestigt. Die Rohrbodenplatte 9 ist
mittels Federn 11 gegenüber den Rohren 2 schwingungs
fähig gelagert. Bei Vorliegen einer pulsierenden
Strömung des in den Eisgenerator eintretenden wäßrigen
Kälteträgers und der aus den Rohren austretenden Eis-
Wasser-Suspension (Ice-slurry) wird die Rohrbodenplatte
9 durch die Pulsation der Strömung zu Schwingungen
angeregt, die sich auf die Abstreifeinrichtungen 1
übertragen. Der hierdurch erzeugte Hub hängt einerseits
von den Strömungseigenschaften und andererseits von der
Ausgestaltung und den Schwingungseigenschaften der
Bodenplatte 9 ab und läßt sich durch letztere gezielt
einstellen. Bei Einsatz von schwingungsfähigen
Schraubenfedern als Abstreifeinrichtungen wird der
Abstreifeffekt zusätzlich verstärkt.
Die auf diese Weise von der Rohrwand abgeschabten
Eiskristalle werden mit der Strömung aus dem Eisgene
rator ausgetragen.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die Rohr
bodenplatte 9 mit Bohrungen 10 versehen, die mit den
Austrittsöffnungen der Rohre 2 fluchten.
Die Rohrbodenplatte 9 kann jedoch auch mit nicht
fluchtenden Bohrungen 10 versehen sein, wie dies in
Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist. Bei dieser
Ausgestaltung erhöht die erzwungene Strömungsumlenkung
den Druck auf die Bodenplatte 9, so daß die Kraft auf
die Abstreifeinrichtungen 1 erhöht wird.
Es kann allerdings auch vollständig auf Bohrungen
in der Bodenplatte 9 verzichtet werden. Hierbei wird
der Durchmesser der Rohrbodenplatte 9 verringert, so
daß der wäßrige Kälteträger durch den entstehenden
Spalt zwischen Bodenplatte 9 und Seitenwänden des
Eisgenerators strömen kann. Dies erhöht ebenfalls den
Druck auf die Rohrbodenplatte im Vergleich zur Ausfüh
rungsform der Fig. 4. Eine Kombination dieser
Ausgestaltungsvarianten der Bodenplatte ist selbst
verständlich ebenfalls möglich.
Der einfache Aufbau, die geringen Kosten und der
geringere Platzbedarf des erfindungsgemäßen Eisgene
rators stellen erhebliche Vorteile dar, die die
Erschließung neuer Einsatzgebiete für Wasser-Eis-
Suspensionen in der Zukunft ermöglichen.
Claims (9)
1. Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen
Suspension aus Eiskristallen mit
daß die Abstreifeinrichtungen (1) einen zentralen Durchlaß für den Kälteträger aufweisen und der Antrieb (9) zur wiederkehrenden Hubbewegung der Abstreif einrichtungen (1) entlang der Rohrachsen ausgestaltet ist.
- - einem Wärmetauscher mit mehreren Rohren (2) für einen wäßrigen Kälteträger, die annähernd geradlinig nebeneinander in einem Behältnis (5) für ein Kälte mittel verlaufen, und
- - einem Mechanismus zum Entfernen von an Innen wandungen der Rohre (2) niedergeschlagenem Eis, wobei der Mechanismus Abstreifeinrichtungen (1) in den Rohren (2) und einen Antrieb für die Abstreifeinrichtungen (1) umfaßt und die Abstreifeinrichtungen (1) aus entlang der Rohrachsen miteinander verbundenen Abstreif elementen gebildet sind, deren Umfang im wesentlichen dem Innenumfang der Rohre (2) entspricht,
daß die Abstreifeinrichtungen (1) einen zentralen Durchlaß für den Kälteträger aufweisen und der Antrieb (9) zur wiederkehrenden Hubbewegung der Abstreif einrichtungen (1) entlang der Rohrachsen ausgestaltet ist.
2. Eisgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstreifeinrichtungen (1) die Form einer
Schraubenfeder aufweisen, wobei eine Windung der
Schraubenfeder einem Abstreifelement entspricht.
3. Eisgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstreifelemente (1) in gleichem gegenseitigen
Abstand entlang der Rohrachsen angeordnet sind.
4. Eisgenerator nach Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstreifelemente (1) die Form von Ringen (3)
oder Scheiben aufweisen, die durch eine oder mehrere
entlang der Rohrachsen verlaufende Verbindungselemente
(4) miteinander verbunden sind.
5. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstreifeinrichtungen (1) elastisch entlang der
Rohrachsen ausgebildet sind.
6. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (2) einen elliptischen Innenumfang
aufweisen.
7. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb (9) zur Erzeugung einer periodischen
Hubbewegung ausgestaltet ist.
8. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb eine Platte (9) umfaßt, an der die
Abstreifeinrichtungen (1) befestigt sind, wobei die
Platte (9) derart an einem Ende der Rohre (2)
angeordnet und gegenüber den Rohren (2) schwingungsfähig
gelagert ist, daß sie durch eine pulsierende Strömung
des in die Rohre (2) eintretenden oder aus den Rohren (2)
austretenden Kälteträgers zur Erzeugung der Hubbewegung
in Schwingungen versetzt wird.
9. Eisgenerator nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte (9) Öffnungen (10) für den Durchtritt
des Kälteträgers aufweist.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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