DE19940203A1 - Zusatzstoff für ein pumpfähiges Flüssigeisgemisch - Google Patents

Abstract

Zusatzstoff für ein pumpfähiges, versprühbares Flüssigeisgemisch, wobei der Zusatzstoff Ammoniak ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zusatzstoff für ein pumpfä­ higes, versprühbares Flüssigeisgemisch. Ein Flüssigeisge­ misch besteht, wie der Name schon sagt, aus einem teil­ weise gefrorenen Fluid aus Wasser.

Der Vorteil von Flüssigeisgemischen, auch Binäreis ge­ nannt, liegt insbesondere darin, daß ein zweiphasiges Fluid wegen der Schmelzenthalphie der Eiskristalle mehr Energie aufnehmen kann, als ein einphasiges Fluid wie zum Beispiel Wasser oder auch eine Sole. Dadurch wird ein Massenstrom in einer Rohrleitung vermindert und zum ande­ ren können Speicher für dieses Binäreis gebaut werden. Gleichzeitig bleibt die Temperatur des Abschmelzbinärei­ ses in einem Wärmeaustauscher nahezu konstant, was sich in einer verbesserten Wärmeaustauscherleistung nieder­ schlägt.

Üblicherweise werden nun für die Herstellung von Flüssi­ geisgemischen wegen der sich ergebenen Probleme, insbe­ sondere der Entmischung keine Zusatzstoffe verwendet.

Der Erfinder hat in seiner langjährigen Tätigkeit bereits eine Vielzahl von Zusatzstoffen getestet, die dem Wasser zugesetzt werden und deren wässrige Mischung (auch Lö­ sung) als Sole bezeichnet wird. Wesensmerkmale dieser So­ len ist nun, daß sie so eingestellt werden, daß eine aus­ reichend große Temperaturdifferenz zwischen der Ge­ brauchstemperatur der Sole und ihrem Gefrierpunkt be­ steht. Dieser temperaturmäßige Sicherheitsabstand erfor­ dert eine entsprechend hohe Zusatzstoff-Konzentration.

Üblicherweise werden dabei Mineralstoffe wie Salze und deren Mischungen oder bestimmte organische Stoffe, die im allgemeinen Sprachgebrauch, zum Beispiel als Glykol be­ zeichnet werden, verwendet. Auch die Beimengung von Alko­ hol ist bekannt. Preis, Korrosionsgefahr, Viskosität der Sole, spezifische Wärmekapazitäten, Wärmeübertragungsei­ genschaften, Giftigkeit, Umweltgesichtspunkte, Entsor­ gungsfragen, Stabilität der Sole gegen Entmischung, bio­ logischer Befall usw. sind dabei die zu beachtenden Para­ meter, die den einen oder anderen Stoff jeweils mit ge­ wissen Nachteilen versehen.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen Zusatz­ stoff zu schaffen, der ein Flüssigeisgemisch mit mög­ lichst guten Parametern ungiftig für Mensch und Umwelt ermöglicht insbesondere für die die Anwendung als Schneersatz, der üblicherweise durch Versprühen verteilt wird, wird eine möglichst lockere Verbindung der einzel­ nen Kristalle angestrebt.

Erfindungsgemäß wird dies durch den Zusatzstoff des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche und der Ver­ fahrensanspruch geben vorteilhafte Ausführungen wieder.

Erfindungsgemäß wird die Sole, das heißt die salzhaltige Lösung beim Binäreis dadurch ersetzt, daß man ein geziel­ tes Entfrieren der mit dem Zusatzstoff versehenen Flüs­ sigkeit zuläßt, wobei es notwendig ist, die anfänglich sich bildenden Eiskristalle an einer gekühlten Wand vom Festfrieren abzuhalten. Anstelle einer einphasigen Flüs­ sigkeit, wie sie eine Sole darstellt, erhält man nun eine Suspension von kleinen Eiskristallen in der nichtgefrore­ nen Phase, das heißt eine zweiphasige Flüssigkeit. Derar­ tige Suspensionen sind auch als "Eismatsch" oder "Eisbrei" bekannt. Binäreis gibt jedoch den zweiphasigen Charakter deutlicher wieder.

Festfrierende Eiskristalle an der Wand kann man mit ver­ schiedenen Methoden verhindern. Man kann die Oberfläche, an der sich Eiskristalle zum Beispiel durch das Kühlen bilden, mit einem Kratzer bestreichen (mechanische Eis­ kristallentfernung), oder man kann auch Strömungsverhält­ nisse herstellen, bei denen das Eis nicht anhaften kann, sondern dauern weggespült wird (fluiddynamisches Verfah­ ren). Ebenso kann man Oberflächen so beschichten, daß Eiskristalle nicht oder nur leicht entfernbar anfrieren und dann mit einfachsten mechanischen Mitteln vom Fest­ frieren abgehalten werden können. Selbstverständlich sind auch kombinierte Verfahren möglich.

Dadurch, daß nun eine gezielte Bildung von Eiskristallen herbeigeführt wird, ist die Konzentration des Zusatzstof­ fes in dem restlichen Volumen geringer, so daß es auf das Gesamtvolumen des Binäreises recht gering werden kann. Dies ist mit weiteren Vorteilen für Kosten und ggf. Um­ weltbelastung verbunden.

Die Wahl von Ammoniak ist nun trotz der zunächst beste­ henden Vorurteile, daß dies ein toxischer ggf. sogar ein brennbarer oder explosiver Stoff ist, der auch bei gerin­ ger Konzentration schon zu einer erheblichen Geruchsbelä­ stigung führt, besonders vorteilhaft.

Nach der Erfindung sind nur sehr geringe Konzentrationen notwendig. Bisher konnten bei dem als Reinigungsmittel eingesetzten Salmiakgeist (25%) die Belästigung schon so groß werden, daß aufgrund des ungewohnten, üblen und ste­ chenden Geruchs eine panikartige Flucht ausgelöst wurde und somit auch eine Anwendung als Zusatzstoff für eine Sole, bei der ein wenigstens 15%iger Anteil gearbeitet werden mußte, die Anwendung als Zusatzstoff nahezu ausge­ schlossen war.

Da die einphasige Sole wegen des temperaturmäßigen Si­ cherheitsabstandes zudem eine noch höhere Ammoniak- Konzentration benötigt als dies, ist durch die Erfindung, die gezielt Binäreis abkühlt bzw. friert, die Beigabe von Ammoniak in so geringen Mengen ermöglicht, daß man den Zweck der Gefrierpunkterniedrigung und Binäreisbildung schon mit einer maximalen Konzentration von 8,5% er­ reicht.

Gegebenenfalls wird vorgeschlagen, die korrosiven Wirkun­ gen einer Wasser-Ammoniakmischung durch die Gabe eines zusätzlichen Stoffes zur Vermeidung der Korrosion bzw. Reduzierung der Korrosionsauswirkungen, einem sogenannten Inhibitor zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist ein ka­ thodischer Korrosionsschutz.

Durch die Erfindung werden die prinzipellen Nachteile des Ammoniaks, nämlich sein stechender Geruch, zusätzlich da­ für genutzt, Leckagen an binäreisführenden Leitungen leichter auffindbar zu machen. Besonders vorteilhaft sind die geringen Herstellungskosten und seine jederzeitige Verfügbarkeit, zum Beispiel als allgemein bekannter 25% iger Salmiakgeist.

Ammoniak ist dabei sehr umweltfreundlich, insbesondere zeigt er keine Ozonschädigung und wird dadurch nicht zu Klimaveränderung oder einem Treibhauseffekt beitragen.

Gleichzeitig wird durch diesen Zusatzstoff eine sehr hohe Gefrierpunktabsenkung bei guten thermophysikalischen Ei­ genschaften, wie hoher spezifischer Wärmekapazität, einem guten Wärmeübergangskoeffizienten, einer im Binäreis sich ausbildenden geringen Viskosität und einer günstigen, nämlich geringeren Dichte des Eises, das heißt einem er­ höhten Auftriebseffekt, der in vielen Vorrichtungen zur Weiterleitung des Binäreises benutzt wird, ermöglicht.

Anders als Salzlösungen, die kompliziert zu handhaben sind, und nicht gemischt werden können, besteht ein der­ artiger Nachteil bei dem erfindungsgemäßen Kühlzusatz­ stoff nicht. Zusatz eines stets in Wasserlösung befindli­ chen Zusatzstoffes ist zudem nicht mit Brennbarkeit zu rechnen und anders als beispielsweise Zusatzstoff Metha­ nol, der speziell zu entsorgen ist und giftig ist, ist dies für den erfindungsgemäßen Zusatzstoff nicht der Fall.

Besonders vorteilhaft ist jedoch, daß die Nutztemperatur der Flüssigkeit bei gleicher Leistung am Wärmeaustauscher von einer beispielsweise Glykolsole oder auch bei Ammoni­ aksole bestehenden Nutztemperatur von ca. -10°C auf die Hälfte, nämlich bei einem Ammoniakzusatz zu Binäreis von -5°C abgesenkt wird. Nur zum Vergleich ist die Zusatzmen­ ge von Glykol bei der genannten Nutztemperatur von -10° eine Konzentration von 40%.

Um noch tiefer zu kühlen, zum Beispiel Nutztemperatur von -28°C am Wärmetauscher zu erreichen, sind Konzentrationen von 57% Glykol bei Ammoniakbinäreis jedoch nur ein Zu­ satz von 16% notwendig, das heißt die Hälfte der schon im Haushaltsreiniger Salmiakgeist vorhandenen Konzentra­ tion.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sind aus anschließender Beschreibung eines bevorzugten Einsatzgebietes als Schneeersatz.

Schnee-Ersatz ist eine Substanz, welche im allgemeinen in Jahreszeiten und/oder für Situationen hergestellt wird, an denen natürlicher Schnee noch nicht, in nicht ausrei­ chender Menge und Qualität oder nicht mehr verfügbar ist. Neben der Verwendung für typische winterliche Sportarten (Ski, Rodel, Snowboard usw.) kann Schnee-Ersatz auch für werbliche Zwecke (z. B. Promotion Events), für Überra­ schungen (z. B. Schneeballschlacht im Sommer) als auch für gewerbliche oder industrielle Anwendungen (Kältespeiche­ rung, Produktkühlung usw.) herangezogen werden.

Als Schnee-Ersatz wird dabei ein Konglomerat von Eiskri­ stallen bezeichnet, welches pulvrig, flockig, firnig, matschig, harsch, eisig usw. vorliegt, in eben derselben Weise wie natürlicher Schnee.

Man kann - wie bekannt ist - Eiskristalle erzeugen, daß diese in bzw. aus einer wäßrigen Lösung oder Mischung (nachstehend als "Fluid" bezeichnet) entstehen, indem dieses Fluid an einer gekühlten Oberfläche soweit abge­ kühlt wird, daß Eiskristalle ausfrieren. Das Fluid ist ausdrücklich nicht reines Wasser sondern Wasser, welches eine oder mehrere gefrierpunkterniedrigende Substanzen (nachfolgend als "Additiv" bezeichnet) enthält. Damit wird erreicht, daß sich Eiskristalle bilden, ohne zusam­ menzubacken. Während des Ausfrierens wird sich dabei das Fluid mit Additiv anreichern, während die Eiskristalle (zumindest theoretisch) aus reinem Wasser bestehen. Das Fluid wirkt daher auch bei tiefer werdenden Temperaturen zwischen den Eiskristallen als Trennmittel.

Sofern man Schnee im Freien ausbringen will, z. B. auf Loipen oder Hängen, ist die Art und Menge des Additives von unmittelbarer Auswirkung auf die Umwelt. Gängige Ad­ ditive sind z. B. Mineralsalze (i. d. R. Kochsalz) aber auch Alkohol (Ethanol), (Iso)propanol, Methanol, Glykol, For­ miate, Propionate, Zuckeralkohol usw. All diese Stoffe scheiden aus einem oder mehreren Gründen als Additiv für Schnee aus: Zum einen können diese Stoffe teuer sein, zum anderen können sie einen nachträglichen Einfluß auf die Umwelt haben. Kochsalz würde sich z. B. im Erdreich anrei­ chern und den Boden versalzen. Glykol und Methanol sind ggf. giftig.

Der Erfindung liegt Ammoniak als Additiv zugrunde, wel­ ches die Umweltbelange (kaum) berührt, für die Erzeugung von Eiskristallen sehr gut geeignet und sogar von beson­ derem Wert für die Umwelt ist. Ammoniak ist in Wasser hervorragend löslich, wird nur in sehr kleinen Mengen be­ nötigt (typisch 0,5-1,5 Gew.Proz.) und teilt sich dem Schnee nur in sehr geringem Umfang mit. Somit ist die Er­ zeugung von Eiskristallen einfach. Gleichzeitig läßt sich das Ammoniak aus dem Eiskristallbrei sehr gut eliminie­ ren, z. B. durch Dränieren oder Zentrifugieren.

Kapillarkraftgebundes oder sonstwie im Schnee verbleiben­ des Fluid ist wegen der geringen Ammoniakkonzentration so unbedeutend, daß das Schmelzprodukt keine negative Aus­ wirkung auf die Umwelt bzw. das Erdreich hat. Zum einen ist Ammoniak ein natürlicher Stoff unserer Umwelt, zum anderen wirkt Ammoniak erwiesenermaßen weder auf die Ozonschicht der Erde noch hat diese Substanz eine Klima­ veränderung (Treibhauseffekt) zur Folge.

Die geringen Mengen an verbleibendem Ammoniak sind somit nicht umweltschädlich. Im äußersten Fall kann das Ammoni­ ak während der Vegetationsperiode als Düngemittel wirken, was besonders bei stark beanspruchten Loipen und Hängen sogar von Vorteil ist.

Ausführliche Messungen, Versuche und Selbstversuche haben gezeigt, daß "guter" Schnee so geringe Mengen an Ammoniak enthält, daß er sogar eßbar ist. Eine Geruchsbelästigung scheidet ebenso aus.

Die ohnehin sehr geringe Menge von Ammoniak als Additiv kann noch weiter abgesenkt werden, indem man die Ammoni­ aklösung durch weitere Additive ergänzt. Ergänzungs- Additive können z. B. Kochsalz, Pottasche, Alkohole sowie andere Mineralstoffe (z. B. Formiate, Propionate) sein. Ebenso können als Additiv korrosionsinhibierende oder pH-Wert neutralisierende Substanzen zugesetzt werden.

Anstelle oder zur Ergänzung des Ammoniaks können auch Am­ moniakderivat, z. B. Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat oder andere ammoniakbasierte Stoffe herangezogen werden. Eben­ so können Ammoniakderivate abgeleitet werden, welche z. B. durch die Neutralisation von Ammoniak entstehen.

Wesentlich für die Additivkonzentration im Schnee ist die Aufkonzentrierung der Eiskristalle auf Werte, welche ne­ ben der gewünschten Eigenschaften des Schnees vor allem eine niedrige Additivkonzentration im Schnee sowie ggf. eine Korrosionsinhibierung bzw. Neutralisierung sicher­ stellen soll. Dies kann man durch Dränieren wie auch durch Zentrifugieren erreichen. Beim Dränieren wirkt die natürliche Schwerkraft, beim Zentrifugieren eine erhöhte Beschleunigungskraft.

Schließlich wird vorgeschlagen, die Ammoniakderivate, insbesondere die Ammoniaksalze durch Zugabe von Ammoniak und einer neutralisierenden Säure erst beim Schneeerzeu­ gen entstehen zu lassen.

Claims (7)

1. Zusatzstoff für ein pumpfähiges, versprühbares Flüssigeisgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu­ satzstoff Ammoniak ist.

2. Zusatzstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Ammoniak in Wasserlösung als Salmiakgeist zu­ gesetzt ist.

3. Zusatzstoff für ein pumpfähiges Flüssigeisgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß auf Ammoniak basierende Substanzen wie Ammoniaksalze zugesetzt werden.

4. Zusatzstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein korrosionsinhibitierender Zusatz zusätz­ lich Verwendung findet.

5. Zusatzstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zusatz von Ammoniak und neutrali­ sierender Säure.

6. Verfahren zum Erzeugen von Schnee-Ersatz in Form eines Konglomerates von Eiskristallen, die mit dem Zu­ satzstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche verse­ hen sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zugabe des als Trennmittel wirkenden, sich beim Ausfrieren anreichernden Zusatzstoffes Eiskistalle an einer gekühlten Oberfläche aus einem im wesentlichen aus Wasser bestehenden Basisfluid ausgefroren werden, und der entstehende Eisbrei durch Dränage oder Zentri­ fugieren entwässert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Mischen einer Zugabe von Ammoniak und neutra­ lisierender Säure Ammoniaksalze für den Schnee-Ersatz erzeugt werden.