DE3424549A1

DE3424549A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines eisspeichers

Info

Publication number: DE3424549A1
Application number: DE19843424549
Authority: DE
Inventors: Vagn Hovgaard Viby Villadsen
Original assignee: Thomas Ths Sabroe and Co
Current assignee: Johnson Controls Denmark ApS
Priority date: 1983-07-06
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1985-01-17
Also published as: GB8416531D0; GB2144531A; DK311883D0; BR8403356A; IL72294A0; DK311883A; ZA845159B; AU3024684A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Eisspeichers.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und zum Ausnutzen eines sogenannten Eisspeichers zum Speichern von Kälte. In vielen Kühlanlagen ändert sich der Bedarf an Kühlkapazität beträchtlich, vor allem bei Prozessen bzw. Verfahren, bei denen tagsüber gekühlt wird und bei denen während der Nacht die Kühlung eingestellt oder drastisch reduziert wird. Das zugeordnete Kühlsystem sollte hierbei grundsätzlich eine Kapazität aufweisen, wie sie erforderlich ist in den Perioden hohen Kühlbedarfs, es ist jedoch bereits bekannt, daß es bei Verwendung eines Eisspeichers möglich ist, ein unterdimensioniertes und damit relativ preiswertes Kühlsystem zu verwenden; dieses System kann kontinuierlich arbeiten, indem nämlich injöen Zeiten, in denen kein Bedarf oder geringer Bedarf an Kälte vorliegt, der Eisspeicher gebildet wird, während seine Kapazität während der anderen Zeiten ergänzt wird durch Kälte, die aus dem Eisspeicher, auch Eisbank genannt, abgeleitet wird.

Die herkömmlichen Eisspeicher sind im wesentlichen als Wasserbehälter ausgebildet, intern eine Rohrbatterie angeordnet ist, die eine große Zahl eng aneinander liegender Rohre aufweist und den Verdampfer des Kühlsystems bildet.

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Wenn der Eisspeicher aufgebaut wird, gefriert das Wasser im Behälter auf der Außenseite der Rohre und die so gebundene Energie kann später aus dem Eisspeicher abgezogen werden, indem man das zu kühlende Wasser über das Eis auf den Rohren laufen läßt, wodurch das Eis allmählich aufgeschmolzen wird.

Diese Gefriersysteme sind für eine vorbestimmte Kapazität sehr voluminös. Die Verdampfungsrohre müssen einen sehr großen Durchmesser aufweisen, um effektiv zu sein bezüglich des Aufbaues eines vernünftigen Eisvolumens,und hieraus resultiert in Verbindung mit der großen Gesamtlänge der Rohre die Tatsache, daß der effektive Eisraum im Behälter wesentlich kleiner ist als das Volumen des Behälters. Von Bedeutung ist auch, daß die Eisschicht auf den einzelnen parallelen Rohren nicht so dick sein darf, daß sie mit Eisschichten benachbarter Rohre zusammenfriert, da dies den freien Strom des auftauenden Wassers durch den Behälter gefährden würde, und sogar im optimalen Eiszustand würde der Behälter eine beträchtliche inaktive Wassermenge zwischen den verschiedenen eistragenden Rohren aufweisen.

Was das Kühlsystem selbst betrifft, so ist charakteristisch, daß die Verwendung langer und dicker Verdampfungsrohre große und teure Mengen an Kühlmittel erforderlich macht, und für die Bildung einer ausreichend dicken Eisschicht auf dem Rohr sollte die Verdampfertemperatur beträchtlich unter 0⁰C liegen, beispielsweise zwischen -5 und -10⁰C, was aber vom Kühlgesichtspunkt aus unökonomisch ist, wenn das Gefrieren selbst bei einer Temperatur nahe 0 bewirkt werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch das bzw. die der Eisspeicher vorteilhafter aufgebaut und ausgenutzt werden kann, auch bei Verwendung einer relativ einfachen EisSpeicherkonstruktion, zumindest wenn große Kühlkapazitäten bzw. -leistungen in Betracht kommen.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß bereits bekannte Verfahren und Systeme für andere Zwecke so modifiziert werden können, daß sie für den vorliegenden Zweck geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird von dem Prinzip Gebrauch gemacht, Wasser durch intensive Verdampfung in einem Vakuumbehälter zu kühlen, in den das Wasser über Sprühdüsen o.a. eingeleitet wird, während der erzeugte Dampf abgesaugt wird zur Aufrechterhaltung eines hohen Vakuums in dem Behälter. Das zunehmend in dem Behälter gesammelte gekühlte Produkt kann dann für geeignete Kühlzwecke entnommen werden. Beispielsweise zeigt die US-PS 2 023 444 die Verwendung gekühlten Wassers zur Kühlung einer Klimaanlage. Die PCT-Veröffentlichung WO 82/03679 zeigt eine Anlage zur Eiserzeugung, bei der die Kühlung durch Verdampfen höchsteffektiv ist, so daß das eingespritzte Wasser in Schnee oder Eis überführt wird, der bzw. das aus dem Vakuumbehälter ausgeschleust wird.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Eisspeicher innerhalb des Vakuumbehälters aufgebaut werden kann, wenn das Wasser oder eine andere gefrierbare Flüssigkeitjim Re eye ling-Verfahren durch die Einspritzdüsen geleitet wird, um so allmählich gekühlt zu werden, um Trümmereis im Behälter zu bilden. Die Eispartikel des Trümmereises weisen praktisch die gleiche Temperatur auf wie die umgebende Flüssigkeit, jedoch halten sie einen wesentlich größeren Anteil an Kälteenergie, da sie die zugeordnete Gefrierwärme abgegeben haben. Das Recycling bzw. die Rückführung der Flüssigkeit kann solange erfolgen, bis ein großer Prozentsatz der Flüssigkeit in Trümmereis überführt worden ist.

Die zuzuführende Energie, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit allmählich zu kühlen und zum Gefrieren zu bringen, ist die Energie, die notwendig ist, den Dampf aus dem Vakuumbehälter zu entfernen. Dies ist mehr oder weniger

wirtschaftlich durchführbar,· jedoch unabhängig davon, wie die Durchführung erfolgt, ist anzumerken, daß der gewünschte Effekt relativ gering sein wird, wenn die überführung bzw. Umwandlung über einen langen Zeitraum, beispielsweise über Nacht, durchgeführt werden kann.

Während einer nachfolgenden Nutzungszeit kann die Trümmereismasse allmählich aufgeschmolzen werden durch Wärmeaustausch mit kälteverbrauchenden Einrichtungen, entweder durch Betätigung eines im Vakuumbehälter eingebauten Wärmeaustauschers oder indem man die Flüssigkeit des Behälters extern zirkulieren läßt. Bei einer solchen Nutzung kann die Rückführung der Flüssigkeit durch die Einspritzdüsen weitergehen, d.h., daß die ausnutzbare Kühlwirkung die Wirkung darstellt, die ableitbar ist aus dem Eisspeicher plus dem Betriebskühleffekt des Vakuumbehältersystems, das in außer-Betriebs-Zeiten anderweitig genutzt wird, um den Eisspeicher allmählich aufzubauen.

Es soll als vorteilhaft angemerkt werden, daß ein Eisspeicher, der einfach aus Trümmereis (Schneematsch-Eis) besteht, keine der ernsten Unzulänglichkeiten herkömmlicher Eisspeicher aufweist.

Ein Problem, das natürlich bestehen bleibt, besteht darin, den Dampf aus dem Vakuumbehälter auf wirtschaftliche Weise zu entfernen. Für dieses Problem ist jedoch schon eine vorteilhafte Lösung gefunden worden, die hier nutzbar ist und in der bereits erwähnten Veröffentlichung der internationalen Anmeldung Nr. WO 82/03679 beschrieben ist. Die Lösung besteht darin, daß der Dampf aus dem Vakuumbehälter mit Hilfe eines Dampfradialverdichters mit nur einer oder wenigen Verdichtungsstufen abgezogen wird, wobei der Dampf, der nun eine Temperatur aufweist, die geringfügig über dem Gefrierpunkt liegt, einem Kondensator zugeführt wird, wie er durch den Verdampfer eines gewöhnlichen Kühlsystemes gebildet wird. Der Dampf kondensiert bei einer Temperatur

in der Nähe des Gefrierpunktes auf eine solche Weise, daß keine Eisprobleme auftreten, und das kalte Kondensat kann sogar in den Vakuumbehälter rückgeführt werden.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung braucht der genannte Kondensator keine besonders hohe Kapazität aufzuweisen, und aufgrund einer geringen Baugröße kann er vorteilhaft in den oberen Teil des Vakuumbehälters eingebaut werden, oberhalb eines als Gehäuse für den Dampfkompressor vorgesehenen Behälterteiles, so daß eine Eisspeichereinheit gemäß der Erfindung als eine kompakte Einheit erhalten wird. Das zugeordnete Kühlsystem kann von relativ einfachem und preiswertem Aufbau sein, nicht nur wegen der geforderten geringen Kapazität zum Aufbauen des Eisspeichers über eine lange Zeitperiode, sondern auch wegen seiner Verdampfungstemperatur, die so hoch wählbar ist, daß sie nahe bei 0⁰C liegt.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung angegeben.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig.2+3 vereinfachte schematische Darstellungen

weiterer Ausführungsformen der Erfindung. Die in der Fig. 1 gezeigte Anlage weist einen Vakuumbehälter 2 mit einem Bodenauslaß 4 auf, über den Wasser aus dem Behälter durch einen externen Wärmeaustauscher 6 mit Hilfe einer Pumpe 8 gepumpt werden kann, wobei das Wasser in den Behälter über ein Düsenrohr 10 zurückgeführt wird, aus dem das Wasser in den Behälter über Düsen 12 gesprüht wird, die oberhalb der Wasseroberfläche des Behälters angeordnet sind. Durch dieses Einspritzen bzw. Einsprühen

tritt eine Verdampfung mit einhergehender Abkühlung des Wassers auf, und das Wasser gefriert teilweise, bevor es auf die Wassermasse 14 im Behälter trifft.

Der beim Einsprühen erzeugte Dampf muß entfernt werden, um den Unterdruck im Behälter 2 aufrecht zu erhalten, und die Entfernung des Dampfes wird bewirkt mit Hilfe eines einfachen Radxalverdichters 16, der den Dampf durch einen Tropfenabscheider 18 in eine obere Kammer 20 saugt, in dem ein Kühlkondensator 22 angeordnet ist, der die Verdampfereinheit eines herkömmlichen Kühlsystemes bildet, dessen Kondensator mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist. Der Druck in der Kammer 20 ist nur geringfügig höher als der Druck im Behälter 2, z.B. 7 mm Hg gegenüber 4 mm Hg im Behälter, dies reicht jedoch aus, eine Kondensation des kalten Dampfes zu bewirken, ohne daß sich Eis auf dem Kondensator 22 bildet. Das Kondensat wird in einer geneigten Wanne 25 gesammelt und wird über eine Leitung 26 direkt in den Behälter 2 zurückgeführt.

Bei Nachtbetrieb wird die Anlage dazu verwendet, das Wasser 14 zunehmend einzufrieren, wobei das Wasser über den äußeren Wärmeaustauscher 6 rückgeführt wird, ohne daß die Einheit auf andere Weise betrieben wird. Die Betriebsbedingungen sind so eingestellt, daß das Wasser unmittelbar vor dem nachfolgenden Tagesbetrieb soweit als möglich in Trümmereis überführt worden ist, d.h. ohne jegliches Beginnen eines Gesamteinfrierens des Wassers. Mit anderen Worten, es sollte eine optimale Bildung von Trümmereis angestrebt werden, das auf oder in dem Wasser schwimmt, und zwar zu einem Ausmaß, daß das Eis fast bis zum Bodenauslaß 4 oder zur Pumpe 8 reicht Bei Tagbetrieb ist der Wärmeaustauscher 6 eingeschaltet.

Dieser Austauscher ist zusätzlich in einem Kreis angeordnet, der eine Pumpe 28 und ein oder mehrere Geräte 30 aufweist, die mit einer Leistung gakühlt werden sollen, die größer ist als die des Kühlsystems F. Dieses letztere Kühlsystem kann kontinuierlich arbeiten zur Kühlung der Wassermenge 14,

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jedoch wird sich das Wasser bei Tagbetrieb durch den Wärmeaustauscher stärker erwärmen·, als durch die Kühlung im Vakuumbehälter wieder ausgeglichen werden kann. Das heißt, daß das Wasser einen ständig abnehmenden Eisanteil aufweisen wird, dessen Schmelzwärme dazu verwendet wird, den externen Kreis des Wärmeaustauschers 6 zu kühlen.

Bei einem ideal dimensionierten System wird das gesamte Eis im Wasser 14 am Ende des Tagesbetriebes geschmolzen sein, ohne daß die Wassertemperatur wesentlich über 0⁰C angestiegen ist. Danach, wenn die Pumpe 28 im externen Kreis ausgeschaltet ist, beginnt die Nachtphase, in der das Kühlsystem F nur dazu betrieben wird, im Wasservolumen 14 eine neue Füllung von Trümmereis zu erzeugen.

Im Tagesbetrieb können die Betriebsbedingungen des Vakumm-Kühlsystems leicht geändert werden, da die Temperatur des durch die Düsen 12 eingespritzten Wasser höher liegt als während des Nachtbetriebes, z.B. 8⁰C bzw. O⁰C. Durch das Einspritzen kann die Temperatur etwa bei 5°C liegen, entsprechend einem absoluten Druck von etwa 6,5 mm Hg in der unteren Kammer des Vakuumbehälters. Der Kompressor 16 wird dann den Druck von 6,5 auf 9,8 mm Hg erhöhen, entsprechend einer Temperatur von 11⁰C, wobei eine geeignete Kondensationstemperatur im Kondensator 22 +5⁰C sein wird, verglichen mit -2⁰C bis 0⁰C während des Nachtbetriebes. Diese Angaben sind Beispielsangaben.

Die Fig. 2 zeigt schematisch, daß während des Nachtbetriebes die Pumpe 8 das Wasser über ein Umschaltventil und eine Pumpe 34 direkt zu den Düsen 12 pumpt aufgrund einer Bypassleitung des Wärmeaustauschers 6 gemäß Fig. 1. In der Fig. 2 ist jedoch dieser Wärmeaustauscher weggelassen worden, und während des Tagesbetriebes ist das Ventil 32 so geschaltet, daß die Pumpe 8 das Kühlwasser direkt dem externen System zuführt.

In der Fig. 3 ist gezeigt, daß das Wasser über die Düsen 12 mit Hilfe einer inneren Kreisleitung 36 umläuft, während der Wärmeaustausch mit dem externen Kreis bewirkt werden kann durch einen internen Wärmeaustauscher, der als Wendel 38 innerhalb des Vakuumbehälters dargestellt ist. Wie in der Fig. 1 weist das externe System eine wahlweise betätigbare Umlaufpumpe 28 auf.

Insoweit als die Flüssigkeit 14 in einem geschlossenen Kreis angeordnet ist und der kondensierte Dampf dieser Flüssigkeit wieder in die Flüssigkeit eingeleitet wird, ist es möglich, nicht nur Wasser zu verwenden, sondern jede andere geeignete Flüssigkeit, beispielsweise Alkohol.

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Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zur Erzeugung eines Eisspeichers zur späteren Versorgung eines externen Kreises mit Kälte, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser (14) oder eine andere gefrierende Flüssigkeit über Einströmeinrichtungen (12) in einem Flüssigkeitskühler mit Vakuumbehälter (2) im Umlauf gefördert wird, bis die Flüssigkeit im Behälter einen Trümmer- oder Brucheiszustand einnimmt, daß das für die Verdampfungskühlung der Flüssigkeit notwendige Vakuum im Behälter aufrechterhalten wird, indem auf an sich bekannte Weise der Dampf aus dem Vakuumbehälter abgesaugt und einem Kühlkondensator (22) zugeführt wird, und daß die gefrierende Flüssigkeit einem internen oder externen Wärmeaustausch mit wenigstens einem anderen Medium zuführbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gefrierbare Flüssigkeit im Umlauf durch einen externen Wärmeaustauscher (6) gefördert und in den Vakuumbehälter (2) über Einspritzeinrichtungen (12), beispielsweise Sprühdüsen, wieder zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf an einer oberhalb der gefrierenden Flüssigkeit im Vakuumbehälter befindlichen Stelle kondensiert wird und

Dr.K./H.

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daß das Kondensat der gefrierenden Flüssigkeit im Behälter direkt wieder zugeführt wird.

4. Vorrichtung zur Erzeugung eines Eisspeichers nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ gekennzeichnet durch einen Vakuumkühler-Behälter (2) mit Einströmeinrichtungen

(12) zum Einleiten von Wasser oder einer anderen gefrierbaren durch Verdampfung abkühlbaren Flüssigkeit, durch Einrichtungen (16) zum Absaugen des erzeugten Dampfes und zum Zuführen des Dampfes zu einem Kühlkondensator (22) , durch Einrichtungen (8) zur Förderung der gefrierbaren Flüssigkeit des Behälters im Umlauf über die Einströmeinrichtungen zwecks Erzeugung von Trümmer- bzw. Brucheis im Behälter und durch Einrichtungen (6, 38) zum Austausch von Wärme zwischen der gefrierenden Flüssigkeit und einem externen kälteverbrauchenden System (30).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkondensator innerhalb des oberen Teiles des Vakuumbehälters oberhalb eines Dampfkompressors angeordnet ist und daß eine Einrichtung (25, 26) zum Sammeln des Kondensats und zum Rückführen des Kondensats direkt in die Flüssigkeit oder die Flüssigkeits/Brucheismischung des Behälters vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gefrierende Medium über einen Flüssigkeitsauslaß im Behälter, über einen externen Wärmeaustauscher und zurück über die Einspritzeinrichtungen im Kreis gefördert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenwärmeaustauscher zwischen dem Gefrier-Flüssigkeitskreis und dem äußeren, periodisch kälteverbrauchenden System vorgesehen ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß der Wärmeaustauscher innerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist.

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