-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmetransport
unter Verwendung einer breiigen Eismasse, die durch ein Rohr bewegt wird.
-
Beschreibung
des technischen Hintergrunds
-
Bei
Wärmetransport-
oder Wärmespeicherungsverfahren
nach dem Stand der Technik, die eine breiige Eismasse verwenden,
wird einer Flüssigkeit ein
Frostschutzprotein zugegeben und die Flüssigkeit abgekühlt, um
so eine breiige Eismasse herzustellen, die dann gespeichert oder
durch Pumpen durch ein Rohr transportiert wird. Verfahren, bei denen
eine Flüssigkeit
lediglich abgekühlt
wird, nutzen nur die fühlbare
Wärme der
Flüssigkeit,
so dass die Menge der transportierten und gespeicherten Wärme relativ
gering ist. Ebenfalls ist es bei Verfahren, die lediglich festes
Eis verwenden, schwierig, das Eis durch die Rohre zu pumpen. Da
bei den Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen Eis aus
einer Flüssigkeit
hergestellt wird, während
des Phasenübergangs
von Flüssigkeit
zu Eis latente Wärme
gespeichert wird, kann desweiteren eine große Wärmemenge transportiert werden
und durch die guten Fließeigenschaften
der breiigen Masse, die während der
Wärmenutzung
gute Ansprecheigenschaften zeigt, durch eine Rohrleitung gepumpt
werden.
-
Tritt
in dem Eis jedoch leicht eine sekundäre Rekristallisation (Wachstum
der Eiskristalle) auf, so verschlechtert dies das Ansprechverhalten,
wenn die breiige Eismasse zur Wärmenutzung
geschmolzen werden soll. Da dies zur Verstopfung der Rohrleitung führen kann,
ist dieses Verfahren nicht dazu geeignet, Wärme über ein längere Zeit zu speichern oder über längere Strecken
zu transportieren. Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren nach
dem Stand der Technik ermöglicht
es die Zugabe eines Frostschutzproteins zu der Flüssigkeit,
die Rekristallisation des Eises zu unterdrücken, wodurch die Verfahren auch
dazu geeignet sind, Wärme über ein
längere Zeit
zu speichern oder über
längere
Strecken zu transportieren. Das Frostschutzprotein ist ein Protein,
das aus Fischen gewonnen wird, die nahe den Polargebieten leben.
Genau dieses Protein verhindert, dass das Blut der Fische gefriert.
Dieses Protein ist jedoch sehr teuer. Das bedeutet, dass es sehr
kostenaufwendig ist, eine breiige Eismasse zu verwenden, bei der
eine Rekristallisation zum Wärmetransport
unterdrückt
wird.
-
Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bereits ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Wärmetransport
und zur Wärmespeicherung
vorgeschlagen, bei denen ein Silanhaftmittel, Alkanthiol oder Fettsäuren, an
Stelle des Frostschutzproteins verwendet werden [Journal (B) der "The Japan Society
of Mechanical Engineers",
Ausgabe 65, Nr. 630, Seiten 53–58
(1999-2)]. Dieses Verfahren sowie die Vorrichtung, bei denen synthetische
Hochpolymere verwendet werden, brachten jedoch eine Reihe von Problemen
mit sich, zu denen Kosten, Toxizität, Korrosivität und Wasserlöslichkeit
gehören,
was allein schon einer praktischen Anwendung des Verfahrens und
der Vorrichtung im Wege stand. Insbesondere waren hinsichtlich des
Silanhaftmittels die Kosten nicht niedrig genug, und zusätzlich war
das Material toxisch und nicht ausreichend wasserlöslich. Ähnlich waren
auch die Korrosivität
der Fettsäuren,
ihre Toxizität
sowie ihre unzureichende Wasserlöslichkeit
ein Problem. Bezüglich
des Alkanthiols stellte die Wasserlöslichkeit ein Problem dar,
und ferner waren die Toxizität
und die Korrosivität
der Substanz fragwürdig.
-
Die
Erfindung soll die vorstehend genannten Probleme lösen, und
ihre Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmetransport
anzugeben, welche die Kosten eines Wärmetransports verringern, indem
eine breiige Eismasse, bei der eine Rekristallisation unterdrückt wird,
und ferner Materialien verwendet werden, die gute Eigenschaften
hinsichtlich Toxizität,
Korrosivität
und Wasserlöslichkeit haben.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Um
diese Aufgabe zu lösen,
sieht die vorliegende Erfindung ein Wärmetransportverfahren vor, das
umfasst: Zugeben eines Frostschutzmittels zu einer Flüssigkeit;
Abkühlen
der Flüssigkeit,
zu der das Frostschutzmittel zugegeben wurde, um eine breiige Eismasse
zu bilden, und Pumpen der breiigen Eismasse durch ein Rohr, wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Frostschutzmittel
Polyvinylalkohol ist, wobei der Polyvinylalkohol ein durchschnittliches
Molekulargewicht von mehr als 2000 hat.
-
Die
oben genannte Aufgabe wird ferner durch eine Wärmetransportvorrichtung gelöst, die umfasst:
eine Flüssigkeit,
zu der ein Frostschutzmittel zugegeben wurde; Gefriermittel (3)
zum Abkühlen der
Flüssigkeit,
zu der das Frostschutzmittel zugegeben wurde, um eine breiige Eismasse
zu bilden; ein Rohr (1) zum Transportieren der die breiige
Eismasse enthaltenden Flüssigkeit,
und eine Pumpe (2) zum Bewegen der Flüssigkeit in dem Rohr, wobei
die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Frostschutzmittel
Polyvinylalkohol ist, wobei der Polyvinylalkohol ein durchschnittliches
Molekulargewicht von mehr als 2000 hat.
-
Die
oben genannte Aufgabe wird ferner erfüllt durch die Verwendung von
Polyvinylalkohol als Frostschutzmittel in einer Flüssigkeit,
die abgekühlt wird,
um eine breiige Eismasse zu bilden und in einer Wärmetransportvorrichtung
enthalten ist, wobei der Polyvinylalkohol ein Molekulargewicht von
mehr als 2000 hat.
-
Um
diese Aufgabe zu lösen,
verwendet die Erfindung Polyvinylalkohol an Stelle des Frostschutzproteins,
Silanhaftmittels, Alkanthiols oder der Fettsäuren, die im Stand der Technik
verwendet werden. Der Polyvinylalkohol unterdrückt die Rekristallisation der
breiigen Eismasse und ist besonders kostengünstig, da er nur 1/20000stel
des Preises des Frostschutzproteins beträgt. Desweiteren ist Polyvinylalkohol
weder toxisch noch korrosiv und hat eine hervorragende Wasserlöslichkeit.
Somit ermöglicht
er einen Wärmetransport,
der unter Verwendung einer breiigen Eismasse, bei der die Rekristallisation
unterdrückt
ist, besonders stabil, höchst
zuverlässig
und kostengünstig
ist.
-
Weitere
Merkmale der Erfindung, ihr Wesen und verschiedene Vorteile werden
an Hand der beiliegenden Zeichnungen und der folgenden, detaillierten
Beschreibung der Erfindung erläutert.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1(a) ist die allgemeine Formel für Polyvinylalkohol.
-
1(b) zeigt die Reaktion zwischen dem Polyvinylalkohol
und der Oberfläche
von Eis.
-
2 zeigt
das allgemeine System einer Wärmetransportvorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
3 zeigt
das allgemeine System einer Wärmetransportvorrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetransport und umfasst das
Bilden einer breiigen Eismasse durch Abkühlen einer Polyvinylalkohol
enthaltenden Flüssigkeit
und Pumpen der breiigen Eismasse durch ein Rohr. Wie in 1(a) gezeigt, ist die allgemeine Formel für Polyvinylalkohol (CH2C(OH)H)n. -OH ist
die hydrophile Gruppe, und -CH2- ist die
hydrophobe Gruppe. Wie in 1(a) gezeigt
ist, geht die hydrophile Gruppe -OH des Polyvinylalkoholmoleküls mit der
Oberfläche
des Eises eine Wasserstoffbrückenbindung
ein. Da -CH2- hydrophil ist, wird ein sekundäres Eiswachstum
und damit eine Eis-Eis-Bindung unterdrückt.
-
Somit
wird eine Rekristallisation des Eises unterdrückt, wenn Polyvinylalkohol
zu Wasser gegeben und die Lösung
abgekühlt
wird. Dadurch erhält man
eine breiige Eismasse, bei der eine Rekristallisation unterdrückt wird,
wodurch die breiige Eismasse über
längere
Zeiträume
hinweg gespeichert und über
größere Entfernungen
durch Rohre transportiert werden kann. Studien haben gezeigt, dass
bei einem Molekulargewicht des Polyvinylalkohols von 2000 oder mehr
die vorstehend erwähnte
Unterdrückung der
Rekristallisation deutlich zu Tage tritt. Bei der üblichen
Verwendung von Frostschutzflüssigkeit
war es notwendig, nicht weniger als 10 Gew.-% einer Substanz zuzugeben,
die den Gefrierpunkt der Flüssigkeit
senkt. Selbst wenn jedoch eine geringe Menge Polyvinylalkohol zu
der Flüssigkeit
gegeben wird, beispielsweise 0,1 Gew.-%, wird die Rekristallisation unterdrückt, wodurch
es möglich
ist, die breiige Eismasse zu erhalten. Als Flüssigkeit kann Wasser verwendet
werden, das leicht erhältlich
ist. Die Flüssigkeit
ist jedoch nicht auf Wasser beschränkt und kann jede Art von Flüssigkeit
sein, die den Polyvinylalkohol löst.
-
Es
wird nun die erfindungsgemäße Wärmetransportvorrichtung
beschrieben, die eine Flüssigkeit
verwendet, die Polyvinylalkohol enthält. 2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung. Diese Wärmetransportvorrichtung
enthält
ein Rohr 1, das mit einer Pumpe 2 versehen ist,
ein Gefriermittel 3 und ein Wärmeabsorptionsmittel 4.
In dem Rohr 1 ist eine Flüssigkeit wie beispielsweise
Wasser eingeschlossen, zu der Polyvinylalkohol zugegeben worden
ist (im Nachfolgenden auch als Polyvinylalkohollösung bezeichnet). Wird das
Wasser abgekühlt,
so dient der Polyvinylalkohol, wie vorstehend beschrieben, dazu,
die Eisrekristallisation zu unterdrücken. Das Gefriermittel 3 besteht
aus einer Gefriervorrichtung oder dergleichen, die zum Abkühlen der
Polyvinylalkohollösung
vorgesehen ist, um die breiige Eismasse herzustellen. Die Pumpe 2 wird
dazu verwendet, die Polyvinylalkohollösung und die breiige Eismasse
kraftvoll durch das Rohr 1 zirkulieren zu lassen.
-
Der
Wärmetransport
durch die Vorrichtung erfolgt folgendermaßen. Die sich in dem Rohr 1 befindende,
breiige Eismasse, die durch Abkühlen
der Polyvinylalkohollösung
an dem Gefriermittel 3 gebildet wird, wird durch die Pumpe 2 zu
dem Wärmeabsorptionsmittel 4 gepumpt.
An dem Wärmeabsorptionsmittel 4 absorbiert
die breiige Eismasse dessen Wärme.
Mit dem Aufnehmen der Wärme
wird die breiige Eismasse wieder zur Polyvinylalkohollösung, die
zu dem Gefriermittel 3 geleitet wird, wo sie wiederum zur
breiigen Eismasse abgekühlt
wird. Dieser sich wiederholende Vorgang des Abkühlens und der Wärmeabsorption
stellt den Wärmetransportvorgang dar.
Durch Zugabe des Polyvinylalkohols zu dem Wasser wird die Rekristallisation
des Eises der breiigen Eismasse unterdrückt. Indem somit ein Verstopfen
des Rohrs 1 verhindert wird, ist der Wärmetransport über längere Zeiträume hinweg
möglich.
-
3 zeigt
die Anordnung einer Wärmetransportvorrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Diese Vorrichtung umfasst ein Gefriermittel 3 mit
einem Behälter 11;
ein Rohr 1, das die Polyvinylalkohollösung enthält; eine erste Pumpe 2a;
ein Wärmeerhaltungsmittel 5 mit
einem Tank 12; eine zweite Pumpe 2b, und ein Wärmeabsorptionsmittel 4.
Das Wärmeerhaltungsmittel 5 hält die breiige
Eismasse und leitet sie je nach Bedarf zu dem Wärmeabsorptionsmittel 4.
-
Es
wird nun der Betrieb der Wärmetransportvorrichtung
der 3 beschrieben. Die Polyvinylalkohollösung in
dem Behälter 11 des
Gefriermittels 3 wird zu einer breiigen Eismasse abgekühlt. Von
dem Behälter 11 aus
wird die breiige Eismasse durch die erste Pumpe 2a in den
Behälter 12 des
Wärmeerhaltungsmittels 5 gepumpt.
Das Wärmeerhaltungsmittel 5 dient
dazu, die Temperatur der breiigen Eismasse beizubehalten. Falls
erforderlich, wird die breiige Eismasse in dem Wärmeerhaltungsmittel 5 durch
die zweite Pumpe 2b zu dem Wärmeabsorptionsmittel 4 geleitet.
Da zu dem Wasser Polyvinylalkohol zugegeben wurde, wird die Rekristallisation
des Eises in der Eismasse unterdrückt, wodurch die breiige Eis masse über eine
längere
Zeit hinweg in dem Wärmeabsorptionsmittel 5 verweilen
kann.
-
Die
Ausführungsbeispiele
wurden vorstehend nur mit Bezug auf die Zugabe von Polyvinylalkohol
zu der verwendeten Flüssigkeit
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Zugabe von nur Polyvinylalkohol
beschränkt,
und es ist ebenfalls möglich,
die Eisbildung durch Zugabe von Eiskernbakterien zu fördern. Als
Bakterien können
Pseudomonas syringae oder andere bekannte Bakterien der Art verwendet
werden, wie sie bereits bei künstlichen Schneeerzeugungssystemen
und dergleichen eingesetzt werden. Die Art der Eisbakterien sowie
die zugegebene Menge richtet sich nach dem Verwendungszweck der
breiigen Eismasse.
-
Im
Folgenden werden Experimente beschrieben, bei denen Eisrekristallisation
und Eisoberflächen
beobachtet wurden.
-
Experiment 1
-
Beobachtung der Eisrekristallisation
-
Das
Ziel des Experiments war es, die Wirkung zu untersuchen, die der
Polyvinylalkohol auf die Rekristallisation des Eises hat. In dem
Experiment wurde die Rekristallisation bei feinen Eiskristallen
beobachtet, die durch Verwendung einer Polyvinylalkohollösung hergestellt
wurden. Es wurden fünf
Polyvinylalkohole mit den folgenden, durchschnittlichen Molekulargewichten
verwendet: 1. 500; 2. 2000; 3. 31000 bis 50000; 4. 85000 bis 146000,
und 5. 124000 bis 186000. Zum Vergleich wurden ebenfalls die Rekristallisation
von Eiskristallproben, die durch reines Wasser gebildet wurden,
eine Ethylenglykollösung
und eine Frostschutzproteinlösung
beobachtet.
-
Für das Experiment
wurden Tropfen der Polyvinylalkohollösungen aus einer Höhe von etwa
2 Metern auf Glasplatten getropft, die zuvor auf –100°C abgekühlt worden
waren, so dass sich ein dünner Eisfilm
(mit einem Polyvinylalkoholgehalt von 0,1 Gew.-%) aus den feinen,
partikelförmigen
Kristallen bilden konnte. Der so auf der Glasplatte gebildete Eisfilm
wurde für
14 Stunden bei –7°C auf dieser
belassen, um die Rekristallisation der Eiskristalle zu beobachten.
Dieselben Schritte wie bei diesem Experiment wurden auch für die Vergleichsbeispiele
durchgeführt.
Die Ergebnisse waren wie folgt:
- 1. Polyvinylalkohol
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 500:
Rekristallisierte
Eiskristalle mit einem Durchmesser von mehreren hundert Mikrometern
wurden beobachtet.
- 2. Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 2000:
Rekristallisierte Eiskristalle mit einem Durchmesser
von mehreren hundert Mikrometern wurden beobachtet.
- 3. Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 31000 bis 50000:
Nicht rekristallisierte, feine Eiskristalle
mit einem Durchmesser von nicht mehr als 50 Mikrometern wurden beobachtet.
- 4. Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 85000 bis 146000:
Nicht rekristallisierte, feine Eiskristalle
mit einem Durchmesser von nicht mehr als 50 Mikrometern wurden beobachtet.
- 5. Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 124000 bis 186000:
Nicht rekristallisierte, feine Eiskristalle
mit einem Durchmesser von nicht mehr als 50 Mikrometern wurden beobachtet.
-
Bei
den Vergleichsbeispielen, die man durch Verwendung von reinem Wasser
erhielt, und bei denen, die man durch Verwendung einer Ethylenglykollösung erhielt,
wurden in jedem Fall rekristallisierte Eiskristalle mit einem Durchmesser
von mehreren hundert Mikrometern beobachtet. Bei den Vergleichsbeispielen,
die man durch Verwendung einer Frostschutzproteinlösung erhielt,
wurden nicht rekristallisierte, feine Eiskristalle mit einem Durchmesser von
nicht mehr als 50 Mikrometern beobachtet.
-
Auf
Grundlage dieser Ergebnisse konnte das Folgende festgestellt werden.
-
Die
Polyvinylalkoholproben, bei denen die Wirkung der Rekristallisationsunterdrückung festzustellen
war, hatten jeweils ein durchschnittliches Molekulargewicht von
nicht weniger als 31000.
-
Im
Gegensatz dazu hatten die Polyvinylalkoholproben, bei denen die
Wirkung der Rekristallisationsunterdrückung nicht festzustellen war,
jeweils ein durchschnittliches Molekulargewicht von 2000 oder weniger.
-
Dadurch
konnte man festlegen, dass es zur Unterdrückung der Eisrekristallisation
notwendig war, Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von mehr als 2000 zu verwenden.
-
Experiment 2
-
Beobachtung der Eisoberfläche
-
Das
Ziel des Experiments war es, den Mechanismus der Absorption des
Polyvinylalkohols auf der Eisoberfläche zu erklären. Ein Rastertunnelmikroskop
(RTM) wurde zur Beobachtung der Oberfläche des Eises aus reinem Wasser
und der Oberfläche
verwendet, auf der Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen
Molekulargewicht von 89000 bis 98000 absorbiert wurde. Die Ergebnisse
waren wie folgt.
-
Insgesamt
betrachtet war die Oberfläche
des Eises aus reinem Wasser eben. Dort, wo jedoch der Polyvinylalkohol
auf der Eisoberfläche
absorbiert wurde, wurde die Bildung von Nuten beobachtet.
-
Auf
Grundlage der Ergebnisse der beiden Experimente konnten die folgenden
Schlüsse
gezogen werden.
-
Wenn
der Polyvinylalkohol ein durchschnittliches Molekulargewicht von
mehr als 2000 hat, bewirkt die Wasserstoffbrückenbindung der hydrophilen Gruppe
in den Molekülen
die Absorption auf der Eisoberfläche,
und diese Absorption unterdrückt
den Effekt des Kristallwachstums der hydrophoben Gruppe in den Molekülen.
-
Im
Gegensatz dazu hat Polyvinylalkohol mit einem durchschnittlichen
Molekulargewicht von 2000 oder weniger nicht genügend hydrophile Gruppen, als
dass die Wasserstoffbrückenbindung
zu einer Oberflächenabsorption
führen
könnte.
Daher kann die Rekristallisation von Eiskristallen nicht wirksam unterdrückt werden.
-
Auf
Grund des vorstehend Genannten hat die vorliegende Erfindung die
folgenden Wirkungen. Gemäß der Erfindung
wird eine Flüssigkeit,
zu der Polyvinylalkohol zugegeben wird, zu einer breiigen Eismasse
abgekühlt.
Das bedeutet, dass im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem Frostschutzprotein,
Silanhaftmittel oder andere ähnliche
Substanzen zugegeben werden, eine Vorrichtung realisiert werden
kann, die bei wesentlich geringeren Kosten einen Wärmetransport
ermöglicht,
der durch die Verwendung einer breiigen Eismasse bewirkt wird, bei
der eine Rekristallisation unterdrückt wird. Desweiteren kann
die Bildung der breiigen Eismasse gefördert werden, indem ferner
Eiskernbakterien zu der Flüssigkeit
gegeben werden, zu der Polyvinylalkohol gegeben wurde. Wie vorstehend
beschrieben, ist Polyvinylalkohol kostengünstig, weder toxisch noch korrosiv,
und leicht in Wasser löslich.
Daher stellt die Zugabe von Polyvinylalkohol zu einer Flüssigkeit
ein ideales Mittel für
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren und verlässlichen
Wärmetransport
dar.