DE60010572T2 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Transport mittels Polyvinylalkohol - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Transport mittels Polyvinylalkohol Download PDF

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Description

  • 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.

Claims (6)

  1. Wärmetransportverfahren, umfassend 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 gekennzeich net ist, dass das Frostschutzmittel Polyvinylalkohol ist, wobei der Polyvinylalkohol ein durchschnittliches Molekulargewicht von mehr als 2000 hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Zugeben einer Eiskernbakterie zu der Flüssigkeit, zu welcher der Polyvinylalkohol zugegeben wurde.
  3. Wärmetransportvorrichtung, umfassend 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.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Wärmeabsorptionsmittel (4) zum Abführen von Wärme aus der breiigen Eismasse.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Eiskernbakterie, die der Flüssigkeit zugegeben ist, zu welcher der Polyvinylalkohol zugegeben wurde.
  6. 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.
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