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Verfahren und. Vorrichtung zur Eiserzeugung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Eiserzeugung mit direkter Eisbildung an den Verdampferwandungen,
nach welchem während der Lostauperiode das durch Umkehrung des Kältemittelstromes
im Verdampfer verflüssigte Kältemittel unten in einen besonderen Zwischenbehälter
übergedrückt wird, und besteht im wesentlichen darin, daß das flüssige Kältemittel
aus dem Zwischenbehälter während der L ostauperiode nach dem Kondensator unten aus
dem Zwischenbehälter abgeleitet wird.
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Es ist bereits bekannt, die an den Verdampferwandungen gebildeten
Eiskörper durch Umkehrung des Kältemittelstrornes loszutauen und zwischen Reduzierventil
bzw. Kondensator und Verdampfer einen Zwischenbehälter anzuordnen und zwecks schnellen
L ostauens die kalte Verdampferflüssigkeit in den Zwischenbehälter zu drücken, so
daß der Verdampfer als Kondensator wirkt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird
jedoch das Kältemittel während der Lostauperiode aus dem oberen Dampfraum des Zwischenbehälters
in Dampfform abgesaugt. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß wegen der Absaugung
von nur reinem Dampf aus dem Zwischenbehälter nach dem Kondensator nur eine sehr
geringe Wärmeleistung des jetzt infolge der Umkehrung als Wärmepumpe arbeitenden
Gesamtsystems stattfindet, da eben die einen großen Wärmeumsatz bedingende Verdampfungsleistung
im Kondensator fortfällt; und es resultiert hieraus eine sehr lange Lostauperiode.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, aus einem dem Verdampfer zugeordneten
Flüssigkeitsabscheider während der Lostauperiode flüssiges Kältemittel nach dem
Flüssi,gkeitsabscheider hinüberzusaugen, doch hat dieses bekannte Verfahren mit
der vorliegenden Erfindung nichts zu tun, da hierbei der Durchfluß des Kältemittels
während der Lostauperiode in gleicher Richtung wie während der Gefrierperiode erfolgt.
Das Hinübersaugen der Flüssigkeit nach dem Flüssigkeitsabscheider erfolgt bei dieser
bekannten Methode durch Zwischenschaltung eines Zwischendruckbehälters zwischen
Kondensator und Flüssigkeitsabscheider, wobei während der Lostauperiode über ein
besonderes Ventil aus dem Dampfraum des Zwischendruckbehälters Dampf in den Verdampfer
geleitet wird, durch den die Flüssigkeit aus dem Verdampfer verdrängt wird.
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Demgegenüber stellt der Erfindungsgegenstand eine wesentliche fortschrittliche
Vereinfachung bei einer wirkungsvolleren Verdrängung der Flüssigkeit aus dem Verdampfer
während der Lostauperiode unmittelbar durch den Kompressor dar, indem der Kältemittelstrom
einfach in an sich bekannter Weise umgekehrt wird. Durch diese Umkehrung
des
Kältemittelstromes wird gewissermaßen aus dem Kälteerzeugungssystem während der
Gefrierperiode eine Wärmepumpe während der Lostauperiode, indem das flüssige Kältemittel
im jetzt als Verdampfer wi °-`. kenden Kondensator von der L'mgebzjig; Wärme (Verdampfungswärine)
aufnimirtt und sie im jetzt als Kondensator wirkenden Verdampfer (als Kondensationswärme)
abgibt, wobei diese nach dem Verdampfer wirkungsvoll transportierte Wärme- zum schnellen
Lostauen des erzeugten Eises dient.
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Hierbei ist es aber wesentlich, daß das Kältemittel in flüssigem Zustande
aus dem Zwischenbehälter in den Kondensator gelangt. Denn nur in diesem Falle kann
infolge der stark Wärme aufnehmenden Verdampfung im Kondensator ein starker Wärmetransport
in diesem Wärmepumpensystem erfolgen. Während beispielsweise die Verdampfungswärme
von i kg NTH3 etwa 30o WE beträgt, ist die Wärmeaufnahmefähigkeit des in Dampfform
in den Kondensator eintretenden Kältemittels nur von der spei. Wärme dieses, die
bei diesem Kältemitteldampf etwa o,55 pro i° C beträgt, abhängig. Vor allem aber
sind die Wärmeübergangsverhältnisse von dem jetzt als Heizmittel dienenden Kühlwasser
im Kondensator auf das verdampfende Kältemittel ungleich größer als bei dem hindurchfließenden
Dampf. Der Wärmetransport in diesem Wärmepumpensystem wird bei Eintritt von flüssigem
Kältemittel in den Kondensator gegenüber dem Eintritt von dampfförmigen also erheblich
vervielfacht und demgemäß die Abtauzeit wesentlich verkürzt.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser
ist in Abb. i eine erfindungsgemäße Anlage dargestellt, während in Abb. a der Zwischenbehälter
in vergrößertem Maßstabe gezeigt ist.
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In Abb. i bedeutet a den Zwischenbehälter, b den Kondensator, c das
Reduzierventil, e die Verdampfer- bzw. Gefrierzellen, f ein unter
den Gefrierzellen angeordnetes Wassergefäß, g eine Transportvorrichtung zum Abtransport
der erzeugten Eiskörper.
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Wie schon gesagt, wird erfindungsgemäß zwecks wirkungsvollen Wärmeumsatzes
während der Lostauperiode das zwischen Kon-, densator und Zwischenbehälter angeordnete
Reduzierventil c nicht am Dampfraum des Zwischenbehälters, sondern an dem stets
mit Flüssigkeit bedeckten Boden desselben angeordnet, so daß während der Lostauperiode
stets flüssiges Kältemittel durch das Reduzierventil nach dem Kondensator gedrückt
und damit eine rege Wärmeumsetzung im System auch während der Lostauperiode erzielt
wird. ' Um ein wirkungsvolles L?bersaugen der Flüssigkeit aus dem Verdampfer nach
dem Zwischenbehälter auch bei der Entnahme aus ,-dein Bodenraum zu gewährleisten,
ist es erden hierbei nicht mechanisch aus @cl rn Zwischenbehälter abgesaugten Dampf
ui andere Weise zum Verschwinden zu brin-_gen. Dies. erfolgt nach der Erfindung
z. B. durch Kondensation des Dampfes im Zwischenbehälter. Dies kann auf verschiedene
Weise erfolgen. "Zweckmäßig wird hierbei der Zwischenbehälter gegen die Wärmeeinströmung
von außen isoliert, was nach der Zeichnung durch die Isolationshülle h geschieht.
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Ferner ist es zweckmäßig, daß bereits während der Eiserzeugungsperiode
der ganze Zwischenbehälter weitgehendst unterkühlt wird, möglichst auf die Verdampfungstemperatur
im Verdampfer. Zu dein Zweck kann das Reduzierventil c möglichst direkt an der Einmündung
in den Zwischenbehälter angeordnet werden, so daß das sich entspannende Kältemittel
mit hoher Geschwindigkeit in den Behälterraum möglichst verteilt eingespritzt wird
und die gesamte Behälterwandung, insbesondere in dem oberen Raum, dauernd von dieser
sich entspannenden und damit verdampfenden Flüssigkeit bespült und damit heruntergekühlt
wird.
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Bei der Umschaltung auf Lostauen wird der Druck im Verdampfer und
damit auch im Zwischenbehälter erhöht, die unterkühlten Behälterwandungen weisen
also eine tiefere Temperatur auf, als der sich nach dem Druckwechsel ergebenden
Kondensationstemperatur des Kältemitteldampfes entspricht, und diese werden sich
mithin an den Wandungen des Zwischenbehälters niederschlagen.
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Durch die hierbei frei werdende Kondensationswärme werden sich diese
zwar erwärmen, im allgemeinen würde aber die durch die Unterkühlung in den Behälterwandungen
aufgespeicherte Kälte an sich (zumal sich auch ein erheblicher Teil an der bei der
Druckerhöhung unterkühlten Flüssigkeitsoberfläche niederschlägt) ausreichen, um
die im Behälter enthaltenen Kältemitteldämpfe niederzuschlagen. Es ist aber andererseits
zu beachten, daß mit ansteigender Füllung ein immer kleiner werdender Teil der Behälterwandung
und der Flüssigkeitsoberfläche mit dem Dampfraum in Berührung bleibt, so daß doch
die Überführung des flüssigen Kältemittels nach dem Zwischenbehälter vorzeitig zum
Erliegen kommen könnte. Aus dem Grunde wird man zweckmäßig weitere Kondensationsmittel,
z. B. den Kälteinhalt der in den Zwischenbehälter übertretenden flüssigen Kältemittel,
anwenden. Um nun den Kälteinhalt der aus dem Verdampfer kommenden
kalten
Flüssigkeit für die Kondensation des Dampfes im Zwischenbehälter möglichst weitgehend
auszunutzen, wird zweckmäßig die von dein Verdampfer kommende Verteilungsleitung
i an der Eininündungsstelle in dein Zwischenbehälter düsenartig ein wenig vereilgt,
k, so daß der Querschnitt wohl enger ist als die übrigen Querschnitte in dieser
Leitung, ohne jedoch den Widerstand merklich zu erhöhen. Hierdurch wird erreicht,
claß bei der Umkehrung die Flüssigkeit aus dem Verdampfer mit einer bestimmten Geschwindigkeit
in den dampfgefüllten Raum des Zwischenbehälters einspritzt und hierbei infolge
der relativ großen, dampfberührten Oberlläche des mehr oder weniger zerstäubt einspritzenden
Flüssigkeitsstrahles den Dampf auf diesen niederschlägt (vgl. Wirkung des Einspritzkondensators).
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Um hierbei den Widerstand während der Gefrierperiode nicht unnötig
zu vergrößern, kann diese Einspritzdüse an der V erdainpferseite zweckmäßig mit
einem nach dein Verdampfer zu öffnenden Rückschlagorgan (Rückschlagventil, -klappe
o. (1-1.) verbunden werden, wobei es an sich gleichgültig ist, ob dieses
Rückschlagorgan parallel zur Einspritzdüse angeordnet wird oder in Hintereinanderschaltung
etwa derart, daß bei Rückfluß der Flüssigkeit während der Tauperiode der Eintritt
in den Zwischenbehälter düsenartig verengt wird.
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Eine besonders wirkungsvolle Maßnahme zur Kondensation des Dampfes
im Zwischenbehälter u, besteht darin, claß nach Abb. 2 die vom Kondensator b kommende
Flüssigkeitsleitung 1. vor dein Entspannungsventil c durch den oberen Dampfraum
geleitet wird. Nach erfolgter Umschaltung auf Lostauen fließt das Kältemittel in
umgekehrter Richtung, als durch die Pfeile angedeutet, durch die Rohrschlange. Hinter
dem Reduzierventil c und der anschließenden Rohrleitung l wird' wegen des Druckverlustes
im Reduzierventil ein niedrigerer Druck und infolge der hierdurch bedingten teilweisen
Verdampfung des flüssigen Kältemittels eine niedrigere Temperatur herrschen als
der Kondensationstemperatur des im Zwischenbehälter in diesem Umkehrungszustande
befindlichen Kältemittels. Infolgedessen wird an diesem relativ unterldihlteil Flüssigkeitsrohr
der dieses umhüllende Dampf kondensieren und somit die Flüssigkeit bis zur Überflutung
dieses im oberen Teil des Zwischenbehälters angeordneten Rohres ansaugen.
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Dieses Rohr L wird zweckmäßig als Schlange derart ausgeführt, daß
der eine Strang aus den oben angeführten Gründen im oberen Dampfraum zu liegen kommt,
während ein -zweiter Stranh durch den unteren Teil bzw. den Bodenbereich des Zwischenbehälters
geführt wird. Dies aus folgendem Grunde: Während der Tauperiode soll die Flüssigkeit
in dein Zwischenbehälter angesaugt werden; was durch die vorbeschriebenen Maßnahmen
(insbesondere durch die Führung der Leitung l durch den oberen Dampfraum des Zwischenbehälters>
erreicht wird. Umgekehrt muß die Flüssigkeit während der Gefrierperiode möglichst
restlos aus dein Zwischenbehälter nach dem Verdampfer hinausgepreßt werden, um sie
in diesem letzteren zur Verdampfung zur Verfügung zu haben. Im allgemeinen wird
dies bereits durch den normalen Verlauf des Betriebes erreicht, da bei der Durchflußrichtung
im Sinne der eingezeichneten Pfeile beim Einspritzvorgang in dem Behälter stets
ein Teil des Kältemittels verdampft. Da der Ausfluß nach dein Verdampfer jedoch
im Bodenbereich des Zwischenbehälters erfolgt, so wird also der entstandene Dampf
im Zwischenbehälter laufend bis zur Ausflußmündung k angesammelt, worauf dann der
überschüssig erzeugte Dampf mit der Flüssigkeit nach dem Verdampfer abfließt. Es
wird also bereits aus diesem Anlaß der Spiegel im Zwischenbehälter während der Gefrierperiode
dauernd in Höhe der Ausflußmündung k gehalten. Durch die Verlegung eines Teilstranges
der Leitung l nach dem Bodenraum wird dieser Vorgang noch unterstützt; denn während
die Temperatur in diesem eingebauten Rohr L während der L ostauperiode wegen des
zwischengeschalteten Reduzierventils tiefer gelegen ist, als dein Kondensationspunkt
im Zwischenbehälter entspricht, wird in diesem umgekehrten Fall (Gefrierperiode)
aus dem gleichen Anlaß (Entspannung im Reduzierventil) die Temperatur in diesem
stets höher sein, als der L'erdampfungstemperatur entspricht, und es wird mithin
etwaiges dieses untere Rohr bespülende flüssige Kältemittel verdampfen und so den
Zwischenbehälter zusätzlich mit Dampf speisen, hierdurch etwaige überschüssige Flüssigkeit
aus dem Zwischenbehälter verdrängend.
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Schließlich kann eine weitere Maßnahme zur wirkungsvollen Dampfentleerung
aus den, Zwischenbehälter a dadurch erzielt werden, daß über ein Drosselventil m
eine direkte Verbindung des oberen Dampfraumes des Zwischenbehälters a mit dem von
dem Kondensator kommenden Flüssigkeitsrohr l hergestellt wird. mr stellt also einen
Umgang zii dem eigentlichen Hauptreduzierventil c dar und läßt während der Lostauperiode
Dampf aus dem Zwischenbehälter a direkt in die während der Lostauperiode unter niedrigerem
Druck stehende Kondensatorleitung übertreten. Diese Drosselverbindung in kann an
sich
sowohl als feste Drossel, die also in beiden Perioden Teilströme des Kältemittels
nach beiden Richtungen hin hindurchtreten läßt, als auch als Rückschlagsorgan ausgebildet
«-erden, das nur Dampf in der beschriebenen Weise während der Tauperiode hindurchläßt.
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Eine weitere Maßnahme zum wirkungsvollen Abfluß des flüssigen Kältemittels
aus dem Verdampfer während der Lostauperiode besteht erfindungsgemäß darin (nicht
gezeichnet), daß der Zwischenbehälter tiefer angeordnet wird als der Verdampfer
und daß zwischen Behälter und Verdampfer außer der vorgeschriebenen unteren stets
offenen Verbindung der beiden Flüssigkeitsräume noch eine zweite Verbindungsleitung
mit einem Absperrorgan vorgesehen wird, durch die die Dampfräume der beiden Apparate
miteinander verbunden werden. Während der Lostauperiode wird das Absperrorgan an
dieser Dampfleitung geöffnet, es bildet also hierbei der Verdampfer mit dem Zwischenbehälter
ein offenes Kommunikationssystem, und es fließt mithin das flüssige Kältemittel
vermöge seiner eigenen Schwere nach dem tiefer liegenden Zwischenbehälter ab. Während
der Gefrierperiode wird dieses Absperrorgan geschlossen, und es wird mithin in der
vorgeschriebenen Weise die Flüssigkeit aus dem Zwischenbehälter durch den bei der
Entspannung im Reduzierventil sich bildenden und im 7lvischenbehälter ansammelnden
Dampf nach dem Versager übergedrückt.