DE3708257A1 - Verfahren und vorrichtung zum druckverfestigen von schnee - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Druckverfestigen von Schnee, wobei Schnee zu seiner einfacheren Beförderung, Lagerung und Nutzung zu Eis­ blöcken verpreßt bzw. verdichtet und verfestigt wird.

Die thermische Energie von Schnee ist in schneereichen Gebieten bisher kaum genutzt worden. Tatsächlich wird Schnee nach wie vor als nutzloser und sogar hinderlicher Stoff behandelt, der eine Verkehrsbehinderung und damit eine Behinderung des täglichen Lebens darstellt.

Für die Entfernung und Beseitigung (Ablagerung) von Schnee ist nicht nur ein großer Zeit-, sondern auch ein enormer Kostenaufwand erforderlich. Aufgrund seiner geringen Dichte erweist sich die Entfernung und Beseitigung von Schnee äußerst unwirtschaftlich; zudem erweist sich auch die Bereitstellung von Schneeabladeflächen in Stadtge­ bieten als sehr schwierig.

Die JP-OSen (OPI) 1 08 383/79 und 2 03 376/83 beschreiben beispielsweise Verfahren zum Verdichten (compressing) und Verfestigen von Schnee zur Vereinfachung seiner Entfernung und Beseitigung. Gemäß der erstgenannten JP-OS wird Schnee so verdichtet und verfestigt, daß er mittels Luft unter Druck durch Transportröhren befördert werden kann. Gemäß der letzteren JP-OS wird ein Kompressor zum Verdichten und Verfestigen von Schnee eingesetzt, um das Erzeugnis in einem Behälter (Tank) lagern zu können.

Es sind somit verschiedene Arten von Vorrichtungen zum Verdichten und Verfestigen von Schnee mittels einer Kolben- Zylinder-Anordnung als Druckzylinder für das Verpressen von Schnee entwickelt worden. Bei den bisherigen Vorrich­ tungen mit einer solchen Anordnung muß jedoch die Leistung einer Druckölpumpe und eines Motors vergrößert werden, um die Druckausübungsgeschwindigkeit und damit die Pro­ duktionsleistung zu erhöhen. Dies läuft der Absicht einer Energieeinsparung, die durch Nutzung der thermischen Ener­ gie des druckverfestigten Schnees erreicht werden soll, zuwider.

Die für das Druckverfestigen von Schnee erforderlichen Verdichtungsbedingungen sind in den genannten JP-OSen je­ doch nicht angesprochen. Das Problem besteht dabei darin, daß die tatsächlichen Bedingungen für die Schneeverfesti­ gung zum Zweck des Abtransports und der Lagerung nicht geklärt worden sind. Sofern Schnee nicht auf eine zu­ friedenstellende Dichte verfestigt wird, brechen die Schneeblöcke oder -klumpen z.B. während des Transports, oder sie sind für die wirksame Lagerung ungeeignet.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten liegt der Erfindung damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Umformen von Schnee in druckverfestigte Eis­ blöcke zwecks Erleichterung oder Ermöglichung der ther­ mischen Nutzung der Eisblöcke sowie der Entfernung und Beseitigung von Schnee zu schaffen.

Die Erfindung bezweckt damit die Schaffung einer Vor­ richtung zum Umformen von Schnee zu druckverfestigten Eisblöcken unter Regelung der Schnee-Verdichtungskraft, wobei die Vorrichtung mit einem Verstärker-Druckzylinder mit einer Verstärkerstange (boost rod) im Inneren einer Kolbenstange versehen sein soll.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines Ver­ fahrens zum Umformen von Schnee zu druckverfestigten Eis­ blöcken, deren Dichte 0,6 g/cm³ oder mehr beträgt, durch Änderung der Bedingungen bei der Druckbeaufschlagung.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Druckver­ festigen von Schnee erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckraum zum Verformen von Schee zu druckver­ festigten Eisklumpen oder -blöcken darin, einen Druck­ kopf zum Beaufschlagen des Schnees mit Druck im Druck­ raum, einen am einen Ende des Druckraums montierten Druckzylinder, der mit dem Druckkopf ausgestattet oder diesem zugeordnet ist, eine am Druckraum angebrach­ te Zufuhreinrichtung zum Zuführen von Schnee in den Druckraum und eine Öffnungseinrichtung, die zum Austragen von verdichteten Eisblöcken aus dem Druckraum geöffnet werden kann und die in einer Schnee-Verdichtungszone am anderen, vom einen Ende des Druckraums abgewandten Ende angeordnet ist, wobei der Druckraum mit Wasser- und Luftauslässen versehen ist. In speziellen Ausge­ staltungen ist dabei vorgesehen, daß der Füllschacht lotrecht geradwandig ist, daß eine Druckfläche des Druckkopfes und eine Schubfläche des Stoßers jeweils mit einem Kunstharz-Futter oder -Belag bedeckt sind und daß der Druckraum in seiner Schnee-Verdichtungszone mit Wasser- und Luftauslässen versehen ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Druckverfestigen von Schnee, bei dem Schnee einer Temperatur im Bereich von 0° bis -30°C unter einem Druck im Bereich von 10-200 bar (kg/cm²) bei einer Verpreßgeschwindigkeit von 0,1-150 mm/s während einer Druckhaltezeit von 0-300 s zu einem festen Körper einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr verpreßt und verdichtet wird.

Dieses Verfahren wird wie folgt ausgeführt: Der vom Füllschacht in den Druckraum eingeführte Schnee wird durch den Druckkopf des Druckzylinders am einen Ende des Druckraums verpreßt.

Der so verpreßte Schnee wird in der Verdichtungszone am anderen Ende des Druckraums zu einem Eisblock geformt. Da der Druckraum mit einer rostgeschützten Innenfläche versehen ist, wird ein Anhaften von Rost an dem so ver­ preßten Schnee verhindert. Der in der Verdichtungszone befindliche Eisblock wird durch den Stoßer aus dem Druckraum ausgestoßen.

Die an der Stirnfläche des Druckkopfes des Druckzylinders und an der Schubfläche des Stoßers vorgesehenen Kunst­ harz-Futter oder -Beläge erleichtern die Trennung des Eisblocks von diesen Flächen. Da zudem der Füllschacht lotrecht geradwandig und nicht trichterförmig ist und eine Innen­ fläche aufweist, an welcher der Schnee ungehindert ent­ langzugleiten vermag, kann der eingeworfene Schnee unge­ hindert bzw. zügig in den Druckraum hineinfallen.

Der aus dem Druckraum herausgedrückte Eisblock ist frei von Feuchtigkeit und Luft, weil in der Verdichtungszone Wasser- und Luftauslässe vorgesehen sind, und der Eis­ block selbst kann als thermische Energiequelle genutzt werden. Außerdem werden durch diese leicht herausnehm­ baren und austragbaren Eisblöcke die Arbeitsbelastung vermindert und der Schneeabladeraum (discharging space) weitgehend verkleinert.

Der unter den angegebenen Bedingungen verdichtete Schnee kann zu einem Block einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr und theoretisch zu einem Eisblock einer Dichte von 0,917 g/cm³ geformt werden. Ein Eisblock einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr vermag die mechanischen Belastungen beim Transport auszuhalten, ist als thermische Energie­ quelle (as thermal energy) nutzbar sowie leicht entfern­ bar und abladbar (dischargeable).

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 1,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen Schneedichte und -festigkeit

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druck und der Schneedichte,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen Schneetemperatur und -dichte,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen Druckhaltezeit und einem Inkrement der Schneedichte,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen der Verpreßgeschwindigkeit und einem Dekrement der Schneedichte,

Fig. 10 eine Tabelle zur Verdeutlichung der Ergebnisse der Verdichtung und Verfestigung und

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen Druckkopfvorschub und Verdichtungskraft.

Gemäß den Fig. 1 bis 4 ist ein Verstärker-Druckzylinder 2 mit einem Druckkopf 7, einer Kolbenstange 7′ und einer in deren Innerem geführten Hilfs- oder Verstärkerstange (boost rod) 7′′ versehen. Die Kolbenstange 7′ ist dabei am Druckkopf 7 mittels (eines) Verbindungs(schraub)bol­ zen(s) 9 über einen Halbring 8 verbunden.

An der Umfangsfläche des Druckkopfes 7 ist ein Futter oder Belag 10 vorgesehen, um einen optimalen Abstand zwi­ schen dieser Umfangsfläche und der Innenfläche eines Druckraums 1 eines quadratischen Querschnitts aufrechtzu­ erhalten und damit eine Beschädigung dieser Innenfläche zu vermeiden. An der Druck- oder Preßfläche des Druck­ kopfes 7 ist ein Kunstharz-Futter- oder -Belag 11 ange­ bracht, so daß der zu einem Eisblock 36 verdichtete Schnee 35 sich leicht von der Preßfläche lösen kann.

Der Verstärker-Druckzylinder 2 ist mittels Schraubbolzen 6 am Druckraum 1 befestigt. Gemäß Fig. 1 ist über dem Druck­ raum 1 ein Füllschacht (oder auch -trichter) 3 zum Ein­ führen von Schnee in ersteren angebracht. Der Füllschacht 3 ist nicht trichterförmig, sondern lotrecht geradwanding ausge­ bildet, so daß der Schnee ungehindert durch ihn hindurch­ fallen kann. Gemäß Fig. 4 wird rostgeschütztes, mit rost­ freiem Stahl belegtes Stahlblech für die Innenfläche a des Druckraums 1 verwendet, um eine Verunreinigung des verdichteten Schnees oder eines Eisblocks mit Rost zu verhindern. Die Innenfläche b des Füllschachts 3 ist mit einem Farbüberzug zur Erleichterung der Gleitbewegung des Schnees versehen.

Der Füllschacht 3 ist mit einem Schieber 25 zum Ver­ schließen desselben während des Verdichtens des Schnees versehen. Der Schieber 25 ist durch einen Schieber-Zy­ linder 28 verschiebbar, dessen Kolbenstange 28′ am vorderen Ende mit dem Schieber 25 über ein Verbindungsstück (connector) 17 und eine lose Kupplung 18 verbunden ist, um einen Bruch der Kolbenstange 28′ zu vermeiden.

Gemäß Fig. 2 ist eine Leitstange 27 des Schiebers 25 durch je eine von einem Tragrahmen 24 gehalterte, öl­ imprägnierte Büchse 26 geführt. Durch diese Führung wird ein seitliches Auslenken des Schiebers 25 aufgrund einer auf ihn einseitig einwirkenden Last beim Durchstechen der Schneecharge vermieden.

Ein Stoßer 15 dient zum Ausschieben des durch den Druck­ kopf 7 in der Verdichtungszone 19 verdichteten Eisblocks 36. Die Schubfläche des Stoßers 15 ist zur Erleichterung der Trennung des Eisblocks 36 von ihr mit einem Kunstharz- Futter oder -Belag 16 versehen.

Eine (jede) Leitstange 13 des Stoßers 15 ist in einer ölimprägnierten Büchse 14 geführt, die in einen Deckel 4 eingesetzt ist, der seinerseits mittels Schraubbolzen 9′ am Druckraum 1 angebracht ist.

Am Deckel 4 ist ein Stoßer-Zylinder 12 angebaut, dessen Kolbenstange 12′ am vorderen Ende mittels eines Ver­ bindungsstücks 17 und einer losen Kupplung 18 mit dem Stoßer 15 verbunden ist.

Ein Schieber 20 ist längs der Leitnuten 1′ im Druckraum 1 aufwärts und abwärts verschiebbar, wobei an den beiden Seiten des Schiebers 20 angebrachte Futter oder Beläge 21, 22 die leichte und zügige Verschiebung des Schiebers 20 begünstigen.

Gemäß Fig. 3 ist ein Schieber-Zylinder 23 an einem Schie­ ber-Rahmen 5 angebracht, wobei seine Kolbenstange 23′ mittels eines Verbindungsstücks 17 und einer losen Kupplung 18 mit dem Schieber 20 verbunden ist.

Ein Ölbehälter 31 für eine Hydraulikeinheit (Fig. 1) ist mit dem Druckzylinder 2 mittels einer Leitung 32 über ein Vorfüllventil 30 verbunden.

Gemäß Fig. 3 sind Wasser- und Luftauslässe (vents) 37 in Ober- und Unterseite der Verdichtungszone des Druckraums 1 vorgesehen. Ein in Fig. 4 gezeigtes Förderband 34 dient zur Lieferung des Schnees 35 in den Füllschacht 3.

Die Gesamtanordnung ist auf einem gemeinsamen Sockel 33 (Fig. 1) montiert, so daß sie auf einem Lastkraftwagen transportiert bzw. auf diesem betrieben werden kann.

Außerdem ist ein nicht dargestellter Stellungsdetektor vorgesehen, um die einzelnen Zylinder 2, 28, 12, 23 se­ quentiell ansteuern zu können.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist nachstehend er­ läutert.

Nach dem Einfüllen von Schnee in den Füllschacht 3 mittels des Förderbands 34 wird der Füllschacht-Schieber 25 ge­ schlossen, worauf durch Druckölzufuhr zum Verstärker- Druckzylinder 2 der im Druckraum 1 befindliche Schnee 35 durch den Druckkopf 7 unter einem Druck von 10-200 bar (kg/cm²) verdichtet wird. Anschließend wird der Schnee 35 in der Verdichtungszone 19 zu einem Eisklumpen oder -block 36 verdichtet; letzterer sollte auf eine Dichte von mehr als 0,6 g/cm³ verfestigt werden.

Nach der Druckreduzierung im Druckzylinder 2 wird der Schieber 20 geöffnet, so daß der Eisblock 36 mittels des Stoßers 15 aus dem Druckraum 1 herausgeschoben werden kann. Der so ausgetragene Eisblock 36 wird dann mittels eines Lastkraftwagens zu einem Bestimmungsort transpor­ tiert.

Ein Arbeitszyklus der erfindungsgemäßen Vorrichtung endet mit dem Zurückziehen des Druckkopfes 7 und des Stoßers 15, dem Herabfahren des Schiebers 20 und Öffnen des Füll­ schacht-Schiebers 25, um Schnee 35 in den Druckraum 1 hineinfallen zu lassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird elektrisch so ge­ steuert, daß Eisblöcke 36 automatisch geformt werden, wenn Schnee 35 über den Füllschacht 3 einwandfrei eingegeben worden ist.

Der auf beschriebene Weise verfestigte (solidified) Eis­ block 36 sollte eine Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr auf­ weisen, weil ein solcher Eisblock fest genug ist, um mit­ tels einer (entsprechenden) Maschine transportiert werden zu können. Insbesondere wurde anhand von Versuchen die in Fig. 5 veranschaulichte Beziehung zwischen der Schnee­ dichte und der Festigkeit (des Eisblocks) ermittelt. Bei einer Dichte von 0,6 g/cm³ zeigt der Schnee (bzw. der Eisblock) eine Bruchfestigkeit von 20 bar (kg/cm²). Ein Eisblock mit mindestens dieser Bruchfestigkeit kann ohne jede Beschädigung maschinell transportiert oder gefördert werden.

Die Bedingungen, bei denen ein Eisblock eine Dichte von 0,6 g/cm³ erhält, wurden wie folgt ermittelt: Für eine Schneetemperatur von 0°C, -10°C, -20°C und -30°C ist die jeweilige, dem Druck entsprechende Schneedichte in Fig. 6 dargestellt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist ein Block (lump) einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr ohne weiteres erzielbar, sofern der Druck im Bereich von 10-200 bar (kg/cm²) liegt. Fig. 7 zeigt die anhand der Ergebnisse von Fig. 6 ermittelte Beziehung zwischen der Schneetemperatur und der Dichte.

Es hat sich gezeigt, daß sich die Dichte des Eisblocks durch Aufrechterhalten des Verdichtungsdrucks vergrößern läßt. Fig. 8 veranschaulicht die diesbezüg­ lichen Ergebnisse. Hierbei erhöhte sich die Dichte um etwa 0,08-0,12 bar (g/cm²) innerhalb einer Druckhaltezeit von 300 s.

Weiterhin wurde die Beziehung zwischen der Verpreß­ geschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit des Druckkopfes 7) und der Dichte untersucht. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, zeigt es sich dabei, daß sich die Dichte des Eisblocks mit zunehmender Geschwindigkeit vergrößert.

Ein Eisblock mit einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr kann unter den folgenden Bedingungen geformt werden:
Schneetemperatur: 0° bis -30°C;
Verpreßgeschwin­ digkeit: 0,1-150 mm/s;
Druckhaltezeit: 0-300 s.

Der Verdichtungsdruck, die Verpreßgeschwindigkeit und die Druckhaltezeit können je nach der Temperatur des zu­ gelieferten Schnees und der geforderten Blockdichte inner­ halb der oben genannten Bereiche bestimmt werden. Mit anderen Worten: je niedriger die Schneetemperatur ist, um so größer sollte der ausgeübte Verdichtungsdruck sein. Außerdem kann die Dichte durch Verlängerung der Druck­ haltezeit erhöht werden; durch möglichst langsame Druck­ beaufschlagung kann zudem ein Block einer hohen Dichte erzielt werden.

Fig. 10 veranschaulicht die bei Änderung der Druckbeauf­ schlagungsbedingungen erzielten Ergebnisse. Die auf die beschriebene Weise aus Schnee geformten Eisblöcke wurden Rollversuchen, in denen sie auf dem Erdboden gerollt wur­ den, und Fallversuchen unterworfen, in denen sie aus 50 cm Höhe fallengelassen wurden. Bei den Versuchen er­ litten die Blöcke keinen Bruch; sie erwiesen sich mithin als transportfähig.

Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Schneeverdich­ tungskraft und dem Druckkopfvorschub. Die erforderliche Schneeverdichtungskraft steigt im Bereich B gemäß Fig. 11 mit zunehmender Verschiebung des Druckkopfes steil an. Zum Anlegen einer zweckmäßigen Verdichtungskraft entspre­ chend der Kennlinie (Fig. 11) an den Schnee übt der Druck­ kopf im Bereich A auf den Schnee eine niedrige Verdich­ tungskraft bei hoher Vorschubgeschwindigkeit aus, während er im Bereich B eine hohe Verdichtungskraft bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit ausübt. Der mit der Verstärker­ stange ausgestattete Verstärker-Zylinder (boost-typed cylinder) bewirkt den wahlweisen Übergang von einer niedrigen Verdichtungskraft bei hoher Geschwindigkeit auf eine hohe Verdichtungskraft bei niedriger Geschwin­ digkeit.

Infolgedessen kann der Schnee mit einer zweckmäßigen Ver­ dichtungskraft entsprechend der Schneeverdichtungs-Kenn­ linie ohne Erhöhung der Ölpumpen- oder der Motorleistung verdichtet und verfestigt werden, wodurch die Produktions­ leistung verbessert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag somit Schnee eines sehr großen Volumens zu einem Eisblock zu verdichten, wo­ durch es möglich wird, den Schnee in fester Form mechanisch transportabel zu machen, den Schneeabladeraum sowie die Kosten für die Entfernung (Räumung) und Beseitigung des Schnees auf jeweils weniger als ein Drittel der bisherigen Größen zu reduzieren und damit nahegelegene Abladeplätze zu nutzen; hierdurch wird eine entsprechende Senkung der Transportkosten erreicht.

Die thermische Energie von Schnee, der den geringsten Nutzwert bietet, kann genutzt werden; der Schnee kann auch als Wasservorrat genutzt werden.

Die Erfindung bietet somit einen hervorragenden Nutz­ effekt für schneereiche Gegenden.

Darüber hinaus kann der Schnee wirksam bzw. wirtschaft­ lich verfestigt werden, weil Schnee einer Temperatur im Bereich von 0° bis -30°C unter den folgenden Bedingungen verdichtet und verfestigt wird:
Verdichtungsdruck: 10-200 bar (kg/cm²);
Verpreßgeschwindigkeit:
0,1-150 mm/s;
Druckhaltezeit: 0-300 s.

Infolgedessen wird es möglich, die thermische Energie des Schnees zu nutzen und gleichzeitig den Schnee wirtschaftlich zu entfernen (räumen) und zu beseitigen (bzw. abzulagern).

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Druckverfestigen von Schnee, gekenn­ zeichnet durch
einen Druckraum zum Verformen von Schnee zu druckver­ festigten Eisklumpen oder -blöcken darin,
einen Druckkopf zum Beaufschlagen des Schnees mit Druck im Druckraum,
einen am einen Ende des Druckraums montierten Druck­ zylinder, der mit dem Druckkopf ausgestattet oder diesem zugeordnet ist,
eine am Druckraum angebrachte Zufuhreinrichtung zum Zuführen von Schnee in den Druckraum und
eine Öffnungseinrichtung, die zum Austragen von ver­ dichteten Eisblöcken aus dem Druckraum geöffnet werden kann und die in einer Schnee-Verdichtungs­ zone am anderen, vom einen Ende des Druckraums ab­ gewandten Ende angeordnet ist, wobei der Druck­ raum mit Wasser- und Luftauslässen versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung einen lotrecht geradwandig ausgebildeten Füllschacht aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenfläche des Druckraums und eine Druckfläche des Druckkopfes jeweils so ausgebildet sind, daß sich der Schnee leicht von ihnen zu lösen und unge­ hindert bzw. zügig an ihnen entlangzugleiten vermag und daß eine Rostbildung verhindert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder vom Verstärkertyp (boost-typed) ist und wahlweise auf den Schnee eine niedrige Ver­ dichtungskraft bei hoher Vorschubgeschwindigkeit des Druckkopfes und eine hohe Verdichtungskraft bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit (des Druckkopfes) auszuüben vermag.

5. Verfahren zum Verdichten und Verfestigen von Schnee, dadurch gekennzeichnet, daß Schnee einer Temperatur im Bereich von 0° bis -30°C in einen Druckraum eingebracht wird, der Schnee mittels eines im Druckraum hin- und her­ gehend geführten Druckkopfes unter den Bedingungen eines Drucks von 10-200 bar (kg/cm²), einer Druck­ kopf-Verschiebungs- oder -Vorschubgeschwindigkeit von 0,1-150 mm/s und einer Druckhaltezeit von 0-300 s zu einem verfestigten Eisblock einer Dichte von 0,6 g/cm³ oder mehr verdichtet wird und der verfestigte Eisblock aus dem Druckraum ausgetra­ gen wird.