DE4325793C2 - Verfahren zur Messung einer Eiskonzentration und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Flüssigeisgemische entstehen, wenn durch Wasserverdamp­ fung im Vakuum bzw. durch Gefrieren einer wäßrigen Sole an gekühlten Oberflächen ein Eis entsteht, das als Sus­ pension von Eiskristallen in Wasser wie solches pumpbar ist und ähnliche Wärmeübertragungsmöglichkeiten bietet.

Besonders vorteilhaft ist die leichte Lagerbarkeit von Flüssigeisgemischen gegenüber Eisblöcken oder festem bzw. stückigem Eis und die leichte Einbeziehbarkeit in technische Anlagen dadurch, daß Flüssigeisgemische durch Rohrleitungen gepumpt werden können.

Die Energiedichte eines Flüssigeisgemisches beträgt ein Vielfaches derjenigen, die durch gekühltes Wasser er­ reicht werden kann. Im Vergleich zu Wasser sind die Pump­ eigenschaften von Binäreis jedoch nur durch eine etwas höhere Turbularität gekennzeichnet. Diese Eigenschaft macht Flüssigeisgemische auch als Kühlmittel für Kühlan­ lagen interessant, insbesondere dort, wo bisher verwand­ te Kältemittel aufgrund ihrer Klimaschädlichkeit zuneh­ mend durch unschädliche Kühlmittel ersetzt werden sol­ len. Großtechnisch werden Flüssigeisgemische jetzt schon zur Kühlung von Arbeitsstätten unter Tage verwandt, bei denen die Kühlanlagen große Entfernungen von dem Ort entfernt sind, an dem gekühlt werden soll, nämlich an der Erdoberfläche.

Um kontrolliert Flüssigeisgemische zu erzeugen, ist die Kenntnis der Eiskonzentration der Eis/Wasser-Suspension notwendig. Da sich beim Kühlen der Eis/Wasser-Suspension in erster Linie nur die Eiskonzentration erhöht, nicht jedoch die Temperatur nennenswert verändert, ist dies nicht selbstverständlich. Bisher werden bei der Herstel­ lung eines Flüssigeisgemisches die Eigenschaften der Eis/Wasser-Suspension nur durch Messung sekundärer Grö­ ßen gemessen, wie der Menge aufgewandter Kühlenergie oder ähnlichem. Dieses ist nicht befriedigend, man möch­ te Aussagen über das Produkt selber direkt erhalten.

Aus der DE 32 37 244 C2 ist bereits eine Vorrichtung zum Erfassen der Anwesenheit von Tau und Reif bekannt, die eine Oberfläche, zum Beispiel ein Gefriergerät, überwacht. Es kann dabei das Anhaften von Wasser bzw. die Reifbildung ermittelt werden. Es können sogar drei verschiedene diskrete Zustände "trocken", "feucht" und "gefroren" jeweils nach kurzen Einschwing­ phasen diskret ermittelt werden. Diese diskreten Infor­ mationen können aber beim Vorliegen eines Eis-Wasser-Gemisches nicht weiterhelfen, da dieses immer "feucht" ist.

Weiter ist die DE 40 32 520 A1 zu nennen, in der eine in Strömungsrichtung geneigte Röhre beschrieben ist, die Filter zum Abseparieren roher Bestandteile kritisiert. Dort werden, um Probleme mit Filtermembranen zu vermeiden, zur Abseparierung eines Probenvolumens sackgassenartige Einrichtungen vorge­ schlagen. Dies kann jedoch bei einer kontinuierlichen Messung nicht erwünscht sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Messung einer Eiskonzentration in einem Flüssigeisge­ misch zu schaffen, das direkt die Eigenschaften des Flüssigeisgemisches wiedergibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der diesem Verfahren zugrundeliegende physikalische Sachverhalt besteht darin, daß bei der Erzeugung von Flüssigeisgemischen Wasser bzw. eine Sole abgekühlt und ggf. unterkühlt wird. Das gefrorene Wasser ist dabei theoretisch frei von den Zusätzen, welche den Gefrier­ punkt der Sole herabsetzen. Durch die Anreicherung von Eiskristallen wird damit die Konzentration der Zusätze in der Sole zunehmend erhöht.

Die in der Sole vorhandenen Zusatzstoffe, wie z. B. Mi­ neralstoffe, beeinflussen nun aber die elektrische Leit­ fähigkeit in der Sole. Somit geht die Anreicherung von Eis, d. h. die Erhöhung der Eiskonzentration, mit einer zunehmenden Konzentration der die Leitfähigkeit beein­ flussenden Zusatzstoffe in der Sole einher. D.h. ein direkter Zusammenhang zwischen Zusatzstoffkonzentration und Eiskonzentration ist gegeben. Die Zusatzstoffkonzen­ tration in dem Wasser wird so durch Messung der elektri­ schen Leitfähigkeit bestimmbar.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Insbesondere ist das Umpumpen des Flüssigeisgemisches vorteilhaft, da in thermischen Spei­ chern oder bei Kälteverbrauchssystemen eine Anreicherung von Eis an bestimmten Stellen in Kauf genommen werden muß, bzw. bewußt herbeigeführt wird. Damit befinden sich an unterschiedlichen Stellen des Flüssigeisspeichers verschiedene Eiskonzentrationsverhältnisse.

Die flüssige, nicht gefrorene Sole wird sich entspre­ chend diesen Eisverhältnissen ebenfalls nicht homogen in den Systemen verteilen. Daher ist eine Einrichtung vor­ gesehen, welche in regelmäßigen Abständen oder bei Be­ darf das System hinsichtlich der elektrischen Leitfähig­ keit "homogenisiert", d. h. beispielsweise durch Umpum­ pen der nichtgefrorenen Sole im System.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Anwen­ dungsbeispiels mit Bezug auf eine Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau von Rücklauflei­ tung, Eisspeicher und Vorlaufleitung, und

Fig. 2 die Ausbildung einer Leitfähigkeitssonde in einer Rohrleitung.

Das hier vorgeschlagene Verfahren nutzt die Tatsache der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit einer elek­ trisch leitenden Flüssigkeit bei Eisbildung zur Bestim­ mung der Konzentration von Eis in dieser Flüssigkeit.

In einer Ausführung, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird in einem Eisspeicher 1 ein Gemisch aus Eis und Wasser hergestellt. Dabei schwimmt üblicherweise das Eis wie dargestellt auf. Die Rücklaufleitung von der Kühlstelle 2 fördert das abgekühlte Wasser bzw. die Sole in den Speicher. Ein Eis-Wasser-Gemisch wird über die Vorlauf­ leitung 3 mittels einer Pumpe 4 einer Kühlstelle zuge­ führt. In beiden Leitungen können Leitfähigkeitssonden 5 vorgesehen werden. Weiter kann der Einbau auch im Eis­ speicher 1 direkt erfolgen. Insbesondere wird die der Kühlstelle nachgeschaltete Rückleitung von großem Inter­ esse für eine Messung der Eiskonzentration sein, da hier - nachdem das Flüssigeisgemisch bestimmungsgemäß benutzt wurde - am ehesten nicht vorhersehbare Verhältnisse vor­ liegen.

Zur Messung der Eiskonzentration wird außer der Leitfä­ higkeitssonde 5 ferner eine Schaltung benötigt, welche die Leitfähigkeit in eine Eiskonzentration umrechnen bzw. aus einer abgespeicherten Tabelle auslesen.

Zur automatischen Regelung der Einhaltung einer bestimm­ ten Eiskonzentration können in dieser Schaltung Schwell­ werte eingestellt werden und können den Leitfähigkeits­ sonden Einrichtungen zum Herstellen eines aussagekräfti­ gen Solezustands vorgeschaltet werden. Bei der Realisa­ tion einer entsprechenden Vorrichtung muß beachtet wer­ den, daß die Leitfähigkeitsmeßsonden weitestgehend eis­ frei gehalten werden. Zweckmäßigerweise werden sie tem­ peraturkompensiert.

Die Leitfähigkeit der homogenen, eisfreien und noch nicht gefrorenen Flüssigkeit bestimmt den Eiskonzentra­ tionszustand "Null". Bei Betrieb der Eismaschine wird ab einem bestimmten Zeitpunkt Eis entstehen, welches als Suspension vorliegt. Die Leitfähigkeitsmeßsonde bestimmt dabei die elektrische Leitfähigkeit, welche den Beginn der Eisproduktion darstellt. Dieser Punkt ist z. B. bei Systemen mit vollständiger Entladung gleichzeitig als Einschaltsignal für die Eismaschine denkbar. Mit zuneh­ mender Eiskonzentration ändert sich nun die Leitfähig­ keit der Sole (in der Regel wird sie größer). Über kalo­ rimetrische Messungen bzw. Laufzeit der Maschine und de­ ren Leistung lassen sich Konzentrationen im Kältever­ brauchersystem bzw. im Kältespeicher ermitteln. Da selbst bei sehr großen Speichern eine Anreicherung von Eis an bestimmten Stellen auftritt, sollte eine Einrich­ tung vorgesehen werden, welche in regelmäßigen Abständen hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit "homogenisiert", z. B. indem die nicht gefrorene Sole im System umgepumpt wird. Nach einer bestimmten Betriebsdauer kann man so ein Meßsignal erhalten, das mit der Eiskonzentra­ tion im gesamten System korrespondiert.

Bei einer Anordnung einer Leitfähigkeitssonde 5 in einem Tank bzw. in einem Eisspeicher 1, wie sie in Fig. 1 dar­ gestellt ist, schwimmt im Normalfall der Eisbestandteil der Suspension auf, da er leichter als das Wasser bzw. die Sole ist. Es ist jedoch auch denkbar, daß das spezi­ fische Gewicht der Sole geringer als das des Eises ist, so daß das Eis zu Boden sinkt bzw. bei Gleichheit der Dichten suspendiert.

In allen Fällen wird die Leitfähigkeit der Sole zweckmä­ ßigerweise in einem weitgehend eisfreien Gebiet der Sole bestimmt. Das bedeutet, daß die Sonde in dem Behälter an einem Ort plaziert wird, wo aufgrund der Gegebenheit Eis nicht oder nur kaum vorkommen kann.

Bei Systemen, bei denen Eis aufschwimmt, bedeutet dies, das die Leitfähigkeitssonde 5 am unteren Ende des Spei­ chers, gegebenenfalls in einer eigenen Tasche, angeord­ net werden sollte. Bei stark bewegten Eis/Wasser-Gemischen (z. B. wenn Rührwerke, hohe Umpumpleistungen, ungünstige Strömungsverhältnisse oder eine geringe Spei­ chergröße vorliegen), kann die Sonde durch ein Gitter, eine Gazeverkleidung, Tücher oder andere Filtereinrich­ tungen davor geschützt werden, daß Eiskristalle in stö­ render Menge an die Meßsonde gelangen.

Da nur die Leitfähigkeit der Sole untersucht wird und nicht deren Temperatur, ist sogar eine Anwärmung eines eisfreien geringfügigen Volumens denkbar.

In Systemen, bei denen das Eisgemisch, wie in Fig. 2 dar­ gestellte strömt, ist ein Absetzen und somit eine Tren­ nung von Eis und Sole schwer oder gar nicht möglich. Dies ist insbesondere der Fall bei Rohrleitungen 10, gilt aber in ähnlicher Weise auch für andere Behälter mit bewegter Flüssigkeit 6. In diesem Fall wird eine Einrichtung verwendet, bei der über eine Siebstrecke 9 das Eis vom Wasser getrennt wird und eine eisfreie bzw. eisarme Sole über die Leitfähigkeitssonde 5 in einer Ringkammer 11 geleitet wird. Da diese Sole nach dem Durchtritt durch das Sieb eisfrei ist, korrespondiert die Leitfähigkeit dieser Sole 8 mit einer Eiskonzentra­ tion im Gesamtsystem bzw. in der Rohrstrecke. Durch eine derartige Anordnung kann eine Trennung der Suspension in reine Sole 8 und Eis führende Sole 7 vorgenommen werden. Diese Trennung ist wichtig, damit eine Leitfähigkeits­ sonde 5 nicht vereist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung einer Eiskonzentration in ei­ nem Flüssigeisgemisch mit einer die elektrische Leitfä­ higkeit eines Bereiches erfassenden Einrichtung, da­ durch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Bestandteil des Flüssigeisgemisches in Kontakt mit der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung gebracht wird, und der gemessene Leitfähigkeitswert in einen Wert für den Anteil bereits kristallisierten Eises um­ gerechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an einem Flüssigbestandteil des Flüs­ sigeisgemisches vorgenommen wird, aus dem mechanisch ein Bestandteil mit festen Teilen abgesondert ist.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in einer Rohr­ leitung (10) für den Rücklauf hinter einer Kühlstelle (2) vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt Homogenisierung des Flüssigeisgemisches vor dem Messen der Leitfähigkeit.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (4) in einer Rohrleitung zur Homogeni­ sierung des Flüssigeisgemisches vor dem In-Kontakt-Treten mit einer Leitfähigkeitssonde (5) betrieben wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine siebartige Begrenzung eines zentralen Bereichs für das Flüssigeisgemisch mit festen Bestandteilen (Siebstrecke (9)) und einem hinter der Begrenzung be­ findlichen Freiraum zum Durchfluß des flüssigen Be­ standteils des Flüssigeisgemisches (Ringkammer (11)), wobei als Leitfähigkeitsmeßeinrichtung eine Leitfä­ higkeitssonde (5) in diesem letztgenannten Bereich angeord­ net ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine automatisch temperaturkompensierende Leitfähig­ keitssonde (5).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Steuereinrichtung zur Temperaturkom­ pensierung vorgesehen ist, die die gemessenen Leitfä­ higkeitswerte mit einem Korrekturfaktor entsprechend einer gemessenen Temperatur beaufschlagt.