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Vorrichtung zur Eiserzeugung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Eiserzeugung, bei der der Flüssigkeit die Wärme unmittelbar durch eine Kältequelle
(Verdampfer o. dgl.) entzogen wird, und besteht im wesentlichen darin, daß zur Vermeidung
eines Anfrierens der Flüssigkeit an den wärmeaustauschenden Wänden der Kältequelle
eine Zwischenlage aus einer nicht gefrierenden Flüssigkeit (z. B. Quecksilber; -zwischen
Kältequelle und zu gefrierender Flüssigkeit gebracht wird.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, künstliche Eisplatten mittels
einer Kühlvorrichtung dadurch zu erzeugen, daß die Kühlflüssigkeit durch ein oben
offenes Becken strömt und das zu gefrierende Wasser auf den durch die Kühlflüssigkeit
gebildeten Spiegel aufgebracht wird. Nach diesem bekannten Verfahren wird also die
Kühlflüssigkeit als Kälteträger durch das Gefrierbecken hindurchgeleitet, wodurch
sich aber gewisse Schwierigkeiten ergeben. Entweder 'wird die Kühlflüssigkeit mit
hoher Geschwindigkeit durch das Gefrierbecken geleitet, dann kann von einer ebenen
Spiegelbildung dieser Kühlflüssigkeit nicht die Rede sein; oder aber diese wird
mit niedriger Geschwindigkeit hindurchgeleitet, dann kann die Kä lteübertragun bzw.
die Kälteleistung nur entsprechend gering sein. Auf alle Fälle wird aber die Kühlflüssigkeit
an ihrer Oberfläche infolge der Flüssigkeitsreibung die zu gefrierende Flüssig-]zeit
an der Grenzschicht bz«-. das hier in Bildung begriffene Eis auf dem Durchflußwege
mit nach der Austrittsseite zu bewegen. wo sich die gebildeten dünnen Eishäute anstauen,
sich wellig übereinanderschdchten, von der Kühlflüssigkeit ablösen und an die Oberfläche
hochsteigen, um hier, den Kreislauf des Wassers schließend, eine rückläufige Bewegung
nach der Eintrittsseite der Kühlflüssigkeit hin au.szu.führen, Da hier jedoch die
Eisteilchen infolge ihres leichteren Gewichtes nicht mit dem M'asser wieder an die
Grenzschicht
der beiden Flüssigkeiten herabsinken können, so schichten
sie sich hier übereinander auf. Die Bildung einer gleichmäßig klaren Eisplatte ist
auf diese Weise also nicht möglich. Es ist auch vorgeschlagen worden, in diesem
Falle eine Flüssigkeitsschicht z@vischen Kühlflüssigkeit und zu gefrierender Flüssigkeit
vorzusehen. Hier ergeben sich naturgemäß die gleichen Erscheinungen, da zunächst
diese Flüssigkeitsschicht von der Kühlflüssigkeit und von dieser wieder die zu gefrierende
Flüssigkeit mitgenommen wird.
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Diese Übelstände werden nach der Erfindung dadurch behoben, daß die
nicht gefrierende Flüssigkeit oberhalb einer im Gefrierwasserbehälter angeordneten
Kühlvorrichtung (Verdampfer, Kühlschlangen o. dgl.) in dünner Schicht gelagert wird,
so daß die Bildung klarer, glatter Eiskörper bei hoher Wärmeübertragung hierdurch
nicht behindert wird. Vor allem aber kommt hierbei der nicht gefrierenden Flüssigkeit
weniger die Aufgabe eines Kälteübertragungsmittels zu, als vielmehr die einer ein
Anfrieren von Eis an der Kühlvorrichtung verhindernden Trennungsschicht mit unmittelbarer
Wärmeübertragung durch Leitung.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können sowohl zur Erzeugung von
Eis als auch zur Ausscheidung von gelösten Stoffen aus Lösungen durch Ausfrieren
(z. B. zürn Ausscheiden von Paraffin aus Rohöl o. dgl.) versendet werden. Der einfacheren
Darstellung halber sei im folgenden jedoch nur von der Eiserzeugung gesprochen.
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Die Erfindung sei an Hand der "Zeichnung näher erläutert. In dieser
zeigt Abb. z einen lotrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Eiserzeuger,
Abb.2 einen waagerechten Schnitt durch den am Boden des Behälters angeordneten Verdampfer,
Abb. 3 bis 6 Vorrichtungen zum Festheften der sich bildenden Eisplatte an der Quecksilberoberfläche.
In Abb. 7 und 8 sind Beispiele zur Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf an sich
bekannte Gefrierzellen veranschaulicht, während schließlich Abb.9 ein Ausführungsbeispiel
zur Erzeugung von granuliertem Eis bz@v. Schnee darstellt.
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In Abb. z und 2 bedeutet a einen Gefrierwasserbehälter. b ist ein
am Boden des Behälters a. angeordneter Verdampfer. Abb: 2 zeigt diesen im Schnitt
.4-ß. Der Behälterboden bzw. der Verdampfer b ist von einer dünnen Quecksilberschicht
c überdeckt. Bei Betrieb der Anlage wird die im Verdampfer b erzeugte Kälte zunächst
auf die Quecksilberschicht c übertragen und von dieser auf den Wasserinhalt des
Behälters; es bildet sich also an der Oberfläche der Quecksilberschicht eine Eisschicht
d. Der Erfindungsgegenstand macht es erforderlich, daß der Verdampfer waagerecht
und ohne Überhöhungen ausgeführt wird. Infolgedessen kann ein freier Umlauf des
Verdampfungsmittels infolge des Verdampfungsvorganges nicht ohne weiteres erreicht
werden. Es. ist vielmehr zu diesem Zwecke für einen künstlichen Umlauf des Kältemittels
zu sorgen, was hier mittels einer Umwälzpumpe e erreicht wird. f bedeutet das Druckminderventil,
durch das das vom Kondensator kommende Kondensat entspannt wird. g deutet einen
Flüssigkeitsabscheider an. Durch die Umwälzpumpe e wird also das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
über den Flüssigkeitsabscheider g- aus dem Verdampfer b angesaugt, wobei sich der
dampfförmige Anteil im Flüssigkeitsabscheider g abscheidet und vom (:nicht gezeichneten)
Kompressor abgesaugt wird. Die von der Pumpe angesaugte Flüssigkeit wird in die
Einspritzleitung hinter dem Druckminderventil feingespritzt, und es wird so der
Kreislauf geschlossen. Gegebenenfalls kann auch die Umwälzpumpe e erspart werden,
indem der Flüssigkeitsabscheiderg außerhalb des Behälters a hoch angeordnet und
an Stelle der Umwälzleitung eine siphonartig nach unten verlängerte Rückflußleitung
vom Flüssigkeitsabscheider g nach der Einspritzleitung angeordnet wird. Hierbei
wäre jedoch darauf zu achten, daß der tiefste Punkt der siphonartigen Rückflußleitung
entsprechend tief unterhalb der Anschlußstelle an die Einspritzleitung zu liegen
kommt.
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Das sich an der Quecksilberoberfläche bildende Eis wird je nach den
äußeren Verhältnissen, wie Ruhe- oder Bewegungszustand des Wassers usw., zu einer
mehr oder weniger starken Eisschicht anwachsen und dann infolge seines Auftriebes
(ohne Unterbrechung der Kälteerzeugung) sich von der Quecksilberoberfläche abheben
und hochsteigen. Ohne besondere Maßnahmen würde sich 7.13.
bei starker Bewegung
des Badwassers über der QUecksilil2er01)erfläC:he das sich bildende Eis sehr schnell
bzw. bereits bei Erreichung einer dünnen Schicht abheben, so daß ein schneeartiges
Eis entsteht, das von der Oberfläche abgefischt `-erden kann, während bei ruhigem
Badwasser sich verhältnismäßig stärkere Eisschichten entwickeln können; doch werden
die auf diese Weise erreichbaren Eisstärken verhältnismäßig gering bleiben.
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Erfindungsgemäß werden nun größere Platteneisstärken dadurch erzielt,
daß im Bereiche der Eisbildung (zweckmäßig in der `#ll'eise, daß der Verdampferbereich
hierdurch umrahmt wird) feste, vereinzelte oder zusammenhängende, die Wärme gut
leitende Flächenteile über die Quecksilberoberfläche hinausragen.
Diese
nehmen infolge der guten Wärmeleitung die Temperatur des Quecksilbers an, und das
Eis friert an diesen Vorsprüngen fest; die sich bildende Eisplatte wird also gewissermaßen
an die Quecksilberoberfläche angeheftet, und die Eisplatte kann infolgcdessen bis
zu jeder gewünschten Stärke aii-«-achsen. Um nun nach Erreichen der gewünschten
Plattenstärke die Platte loszulösen. ist es nur erforderlich, diese vorspringenden
Flächenteile durch ein warmes Mittel, z. B. Kühlwasser, zu erwärmen, so daß die
Eisplatte sich von diesen Heftpunkten durch Abtauen loslöst. Die so frei -werdende
Eisplatte steigt infolge ihres Auftriebes an die Oberfläche.
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Abb. 3 stellt eine Draufsicht auf den Eiserzeuger nach Abb. i dar,
in der eine Anzahl Heftpunkte solcher Art, lt, am Umfang des Verdampferbereiches
verteilt, angedeutet sind. In Abb. d. ist eine solche beispielsweise Heftvorrichtung
in Verbindung mit dem angrenzenden Teil der Abb. i in vergrößertem Maßstabe leerausgezeichnet.
a., b, c bezeichnen hier die gleichen Teile wie in Abb. i. Zentral in der
Hefthülse h ist eine Einspritzdüse i angeordnet. Normalerweise wird
jedoch nichts eingespritzt. Infolge der Wärmeleitung des Hülsenbaustoffes (z. B.
Eisen) nimmt die Hülse mehr oder weniger die Temperatur der Quecksilberschicht an,
und das Wasser gefriert in gleicher Weise wie auf der Quecksilberoberfläche auch
an der Oberfläche dieser aus dem Quecksilber herausragenden Eisenkuppe, womit die
ganze sich bildende Eisplatte zusammenhängend gehalten wird. Soll nach Erreichen
einer bestimmten Eisstärke die Platte losgelöst werden, so wird durch die Einspritzdüse
ein wärmeres Kiihlmittel, z. B. eine Sole, die im Wärmeaustausch mit dem Kühlwasser
für den Kondensator stehen mag, gegen die obere Kuppe dieser Hefthülse eingespritzt,
wodurch sich diese erwärmt und das anhaftende Eis lostaut. Das eingespritzte 'Taumittel
fließt in Richtung der eingezeichneten Pfeile wieder ab. An Stelle vereinzelter
Heftpunkte kann auch im Bereiche des Unifanges des Verdampfers in Höhe des Quecksilberspiegels
eine zusammenhängende umlaufende Rohrleitung bzw. ein Kanal gelegt werden, wie in
Abb. 5 angedeutet. Die Arbeitsi@-eise an sich ist genau die gleiche, wie vorhin
beschrieben, d. h. zwecks Loslösung der gebildeten Eisplatte wird in Richtung der
Pfeile ein Taumittel (Wärme, Sole) durch die Leitung 1z geschickt.
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In Abb. 6 ist eine besonders zweckmäßige .Ausgestaltung - eines solchen
umlaufenden 1laftkanals in vergrößertem Maßstabe angedeutet. Die Bezugszeichen
a, bis d bezeichnen wieder die gleichen Teile wie vorhin. Der innlaufende
I-Iaftkanal k ist hier als umlaufende untere. Ecke des Gefrierwasserbehälters a
selbst ausgebildet und ist als schlanker, nach oben sich verjüngender Zwickel von
solcher Höhe geformt, wie sie der gewünschten Eisplattenstärke entspricht. Man erhält
so eine ebene Außenbegrenzung der erzeugten Eisplatten, und es wird hierbei der
Behälterraum für die Eiserzeugung gut ausgenutzt. Auch dieser Kanal wird nur zum
"Zwecke des Lostauens von einem warmen Mittel durchflossen. Um andererseits diesen
Zwickel auch gleichzeitig zum Schutz nach außen hin mitverwenden zu können, erhält
dieser Kanal zweckmäßig am Ende des Durchflusses eine unten angeordnete Abflußöffnung,
so daß der Kanal nach Abstellung des warmen Taumittels leerläuft. Bei dieser letzteren
Ausführungsform ergibt sich eine verhältnismäßig große Haftfläche, und es könnte
außerdem wegen der Kälteleitung durch die Kanalwandung ein-Bratartiges Überwachsen
des Eises an dieser Kanalwandung erfolgen. Um die sich hierau--, ergebenden Übelstände
(zu festes Haften und dadurch bedingte Verzögerung des Lostauens) zu beheben, kann
gegebenenfalls die eisberührte Kanaloberfläche auch zweckmäßig mit, einem Stoff
umkleidet werden, der einerseits die `'Wärme schlecht leitet und an den andererseits
das Eis nur schwach haftet, z. B. mit einem Gummibelag (ebb. i).
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Ein solcher Eiserzeuger kann für die verschiedensten Gefrierweisen
veru^en.det m-erdeii. Soll beispielsweise ein homogenes Soleeis :rzeugt werden,
so läßt man das Wasser einfach in ruhendem stagnierendem Zustande gefrieren, und
zwar mit möglichst tiefen Verdampfungstemperaturen. Da die etwa sich ausscheidenden
Salze bzw. konzentrischen Lösungsbestandteile schwerer sind als das darüber befindliche
salzärmere Wasser, so bleibt es an der Stelle der Ausscheidung auf der unteren ebenen
Eisfläche lagern. Es muß mithin zwangsweise mit einfrieren, weil der Lösungsausgleich
mit den oberen Wasserschichten durch Diffusion bei diesen tiefen Temperaturen nur
sehr langsam vor sich geht. Dies ist in umso höherem Maße der Fall, mit je tieferen
Verdampfertemperaturen, also größeren Gefriergeschwindigkeiten, gearbeitet wird,
insbesondere wenn die Gefriergeschwindigkeit die Diffusionsgeschwindigkeit übersteigt.
In diesem Falle müssen die salzigen Bestandteile in feinster Verteilung mit einfrieren,
so daß man ein homogenes Eis erhält.
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Soll umgekehrt aus einem salzigen Wasser Süßwassereis erzeugt werden,
so wird man umgekehrt das Wasser mit möglichst hoher Geschwindigkeit über die Gefrierfläche
umwälzen. Dieser Fall ist in Abb. i veranschaulicht. Es bedeutet hier in ein Rührwerk,
das
das Gefrierwasser mit mehr oder weniger großen Geschwindigkeiten
unmittelbar über die Gefrieroberfläche jagt. Infolge der ebenen Eisoberfläche wird
hierdurch ein sehr wirkungsvolles Wegspülen der Ausscheidungczi von der gefrierenden
Oberfläche bewirkt. A:n entgegengesetzten Ende des Behälters ist zur Begrenzung
der Quecksilberschicht ein den Quecksilberspiegel nur um ein geringes überragender
Rand n angeordnet. Hinter diesem befindet sich ein Absetzrauni o, in den bei dieser
Umwälzbewegung schwerere Lösungsbestandteile absinken. Da dieser Absitzrauni .in
den Umwälzbewegungen des Bades nicht teilnimmt, vielmehr im Gegensatz zu diesem
einen stagnierenden Raum darstellt, so sammeln sich im Absitzraum o im Laufe des
Betriebes die schwereren Bestandteile immer mehr und mehr an und können von Zeit
zu Zeit nach :Maßgabe ihres Anfalles durch das Ablaßorgan p abgelassen werden. Auf
diese Weise kann also aus Salzwasser ein verhältnismäßig sehr salzarmes bzw. -freies
Eis erzeugt werden.
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In den Abb. 7 und 8 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung
in zwei Ausführungsformen dargestellt. Es handelt sich in beiden Fällen um vom Gefrierwasser
überflutete Gefrierzellen. In Abb. 7 ist eine oben. offene Gefrierzelle q angedeutet,
bei der die Eisbildung im Inneren der Zelle erfolgt. Die untere Begrenzung der Eisbildung
erfolgt durch einen Querboden r, der hier in der Mitte zwecks Klareiserzeugung durch
eingeblasene Luft (durch Düse s) eine Öffnung mit einem etwas nach oben führenden
Rohransatz bildet. In dem so entstehenden Bodenringraum wird wieder eine Quecksilberschicht
c- eingebracht. Der gebildete Eiskörper wird also nach unten durch diesen Quecksilberspiegel
begrenzt, an dessen Oberfläche infolge Kälteleitung wohl Isis gebildet wird, ohne
daß jedoch durch diese 13isbildung ein die Loslösung hemmendes Festhaften stattfindet.
Um eine Eisbildung auch an der Unterseite des Querbodens r'zu verhüten, ist die
zentrale Öffnung mit der Zellenverlängerung durch eine Wand f ;erbunden, so daß
an der Unterseite des Boden> ein schützender Luftraum entsteht.
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In Abb. 8 ist eine an sich gleichfalls behannte, oben geschlossene
Gefrierzelle rr angedeutet, bei der die Eisbildung außen um die Zelle herum erfolgt,
während das Kältemittel während der Gefrierperiode in Richtung &ieingezeichneten
Pfeile die Zelle durchströmt und durch das zentral angeordnete Rohr verläßt, während
zwecks Lostauelis der Kältemittelstroin in bekannter Weise in umgekehrter Richtung
hindurchströmt. Auch hier ist der Bodenraum durch eine Ouecksilherschicht c bedeckt,
und es dient also auch hier, ähnlich wie bei der -1#,tisfülirtnig nach Abb. 7, diese
Quecksilberschicht nicht zur eigentlichen hälteiibertragung als vielmehr zur Verhütung
eines Festhaftens des Eiskörpers an den Zellen- bzw. Bodenverlängerungen.
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Schließlich ist in Abb. g noch ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
welches besonders dazu bestimmt ist, Eis in fein verteilter Form zu erhalten bzw.
Flüssigkeiten plötzlich herunterzukühlen. Aus beiden Gründen eignet sich dieses
letztere Verfahren besonders zur Erzeugung von Soleeis, wobei gegebenenfalls das
in fein. verteiltem Zustande anfallende Eis, falls es in diesem Zustande nicht verwendet
werden soll, zu Briketts zu,#aminengepreßt «-erden kann.
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in Abb. o bedeutet u, duecksilllergefiillte, unten geschlossene Rohre,
die in einem geineinsamen Verdampfer eingebaut sind. Stattdessen können natürlich
auch die einzelnen Rohre nach Ahb. 7 voll jeweils einem Doppelrohr umgehen werden,
wobei der umgebende Raum als Verdampfer dient. C?liten in den Boden dieser Quecksilberrohre
münden H'inspritzdiisen, clurch die das zu gefrierende M'asser in die durch den
Verdampfer tinteikiihlte Quecksilberfüllung unter Druck eingespritzt wird. Infolge
dieser feinen Zerteilung des .Wassers und der unmittelbaren Berührung mit dem kalten
Quecksilber gefriert diese eingespritzte Flüssigkeit sofort, was für verschiedene
andere Prozesse voll Wichtigkeit sein kann. Infolge des starken Auftriebes in dem
schweren Quecksilber steigt (-las fein zerteilte Eis schnell an die Oberfläche und
sammelt sich dort an, von wo es dann durch geeignete Fördervorrichtungen entnommen
werden kann.