Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Eisbildungsanlage, in der Luft
als Arbeitsmittel eingesetzt wird. Insbesondere betrifft die
Erfindung eine Eisbildungsanlage mit Luft als Kältemittel,
die zum Einsatz in Eissporteinrichtungen zum Bobfahren,
Eislaufen, für Eishockey und andere Eissportarten geeignet
ist.
Stand der Technik
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In Eissportanlagen zum Bobfahren, Eislaufen, für Eishockey
und andere Eissportarten, ist es notwendig, Eis in geeigneter
Form und schnell zu bilden oder zu ergänzen. In derartigen
Eissportanlagen wurde hierfür eine Eisbildungsanlage
eingesetzt, in der ein Arbeitsmittel, wie beispielsweise
Freon (RTM) oder Ammoniak eines Kältekreislaufes in
Eiserzeugungswindungen (Verdampfern), die in einer
Kunsteisbahn oder Eisstrecke der Anlagen eingebaut sind,
verdampft wird. Es wurde überdies eine Eisbildungsanlage
eingesetzt, in der eine in einer Kühleinrichtung erzeugte
Sole durch die obengenannten Eiserzeugungswindungen
zirkuliert wird.
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Bei der oben erwähnten Eisbildungsanlage kann es jedoch
infolge einer Fehlkonstruktion der Anlage oder durch
jahreszeitliche Schwankungen zu einer Leckage des
Arbeitsmittels und/oder der Sole kommen. Insbesondere wenn
bei der Wartung der Anlage in regelmäßigen Abständen Siebe
gereinigt oder ausgetauscht werden, tritt zwangsläufig
Arbeitsmittel und/oder Sole aus. Es wird berichtet, daß sich
die in einem Jahr ausgetretene Menge an Arbeitsmittel auf 5%
des in die Anlage eingebrachten Arbeitsmittels beläuft.
Ein Austreten von Freon führt zum Problem der Zerstörung der
Ozonschichten, während eine Leckage von Ammoniak Luft- und
Bodenverunreinigungen verursacht und das Austreten von Sole
eine Bodenverschmutzung nach sich zieht. Demgemäß ist es
unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes dringend
notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um die obengenannten
Probleme zu vermeiden.
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Im Stand der Technik ist auch ein Kühlkreislauf bekannt, in
dem Luft als Arbeitsmittel verwendet wird (siehe
beispielsweise die Patentschrift US-A-1 440 000, auf der der
Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert). Da der Wirkungsgrad
eines Kühlkreislaufes mit Luft als Kältemittel im allgemeinen
niedrig ist, wird eine große Antriebskraft benötigt oder viel
elektrischer Strom verbraucht. Demgemäß ist der Betrieb eines
Kühlkreislaufes mit Luft als Kühlmittel ziemlich teuer und
weniger energiesparend und demzufolge wurde er im allgemeinen
nicht in einer Eisbildungsanlage in die Praxis umgesetzt.
Beispielsweise hat eine Kühleinrichtung mit Luft als
Kältemittel, in der Luft als Arbeitsmittel verwendet wird,
bei der Eisherstellung bei einer Umgebungstemperatur von 5 ºC
einen Wirkungsgrad von ungefähr 0,8, was ungefähr 1/3 bis 1/2
des Wirkungsgrades einer Kältemaschine ist, in der Freon als
Arbeitsmittel verwendet wird.
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Andererseits hat man weithin ein kombiniertes System zur
umfassenden Nutzung der Wärme und der Kraft einer
Wärmekraftmaschine eingesetzt. An einer Kältemaschine, in der
die Leistung einer Wärmekraftmaschine eines kombinierten
systems als Antriebsquelle zum Antrieb der Kältemaschine
verwendet wird, wurden verschiedene Technologien entwickelt,
um das am energiesparendste Ergebnis zu erzielen. Alle
betreffenden Kältemaschinen waren jedoch solche, die Freon
oder Ammoniak als Arbeitsmittel verwendeten.
Aufgabe der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Eis in
Eissportanlange effektiv herzustellen, ohne Freon oder
Ammoniak als Arbeitsmittel zu verwenden und ohne Sole als
Kältemittel einzusetzen.
Darstellung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist eine Eisbildungsanlage mit Luft als
Kältemittel geschaffen, die die Merkmale des Anspruchs 1
aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Systemdarstellung einer Eisbildungsanlage
mit Luft als Kältemittel gemäß der Erfindung, die
eine Anordnung verschiedener Einrichtungen zeigt;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Luft-Luft-
Wärmetauschers,
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht durch einen
Röhrenwärmetauscher,
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht durch einen
Luftkompressor,
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Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Anordnung des
Luftkompressors, eines Motors und einer
Luftexpansionsmaschine zeigt,
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht durch etne
Luftexpansionsmaschine,
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Fig. 7 ist eine vergrößerte Teilansicht einer
Freilaufkupplung,
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Fig. 8 ist eine Ansicht, die die Anordnung des
Luftkompressors, einer Wärmekraftmaschine zur
Erzeugung mehrerer Energiearten und der
Luftexpansionsmaschine zeigt,
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Fig. 9 ist ein Grundriß einer Bob- und Rodelbahn,
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Fig. 10 ist ein Leitungslayout eines Wärmetauschers zur
Eisbildung,
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Fig. 11 ist eine Draufsicht auf das Rohrleitungswerk des
Wärmetauschers zur Ausbildung,
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Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht eines geraden
Bahnabschnittes,
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Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht eines
Kurvenabschnittes der Bahn und
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Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht eines Kurvenabschnitts
der Bahn, der mit einem Kaltluftspritzgerät
ausgestattet ist.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Die Fig. 1 ist eine Systemdarstellung einer Eisbildungsanlage
mit Luft als Kältemittel gemäß der Erfindung, in der eine
Anordnung verschiedener Einrichtungen und ein Luftstrom
dargestellt ist. Wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die
Eisbildungsanlage einen geschlossenen Luftkreislauf zum
Zirkulieren von Luft, beinhaltend in Luftströmungsrichtung
gesehen in der bezeichneten Reihenfolge einen Luftkompressor
1, eine Kühleinrichtung 2 für verdichtete Luft zum Kühlen der
durch den Kompressor verdichteten Luft mit einem außerhalb
des Kältekreislaufs befindlichen Wärmeaustauschmediums, eine
Luftexpansionsmaschine 3 zum Entspannen der durch die
Kühleinrichtung hindurchgegangenen Luft, um Kaltluft
bereitzustellen, und einen Wärmetauscher 4 zur Eisbildung,
unter Verwendung der Kaltluft, die durch die
Luftexpansionsmaschine 3 hindurchgegangen ist,.
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Die Eisbildungsanlage umfaßt des Weiteren einen Wärmetauscher
5 zur Wärmerückgewinnung, in welchem zwischen der Luft, bevor
sie in die Luftexpansionsmaschine eintritt, und der durch den
Wärmetauscher zur Eisbildung geführten Luft ein
Wärmeaustausch stattfindet. Die Luft, deren Kälteenergie in
dem Wärmetauscher 5 zurückgewonnen wurde, wird dannv über
eine Rückführleitung 6 zum Luftkompressor 1 zurückgeführt.
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Der Wärmetauscher 5 zur Wärmerückgewinnung ist ein Luft-Luft-
Wärmetauscher, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist. Im
Wärmetauscher 5 sind Luftkanäle 16 abwechselnd senkrecht
zueinander mit einer Anzahl von Zwischenräumen, die durch
mehrere Platten 15 gebildet werden, ausgebildet. Jeder
Luftkanal 16 oder 17 ist in einer Anzahl enger Durchgänge 18
oder 19 unterteilt, um die Leistungsfähigkeit des
Wärmetauschers zu erhöhen. Durch den Luftkanal 16 (oder 17)
wird die durch den Kompressor 1 verdichtete Luft
hindurchgeführt, während durch den Luftkanal 17 (oder 16) die
vom Wärmetauscher 4 zur Eisbildung kommende Luft
hindurchgeführt wird. Die Warmluft aus dem Kompressor 1 wird
durch den Wärmeaustausch der Kaltluft aus dem Wärmetauscher 4
gekühlt. Die Kaltluft hingegen, die aus dem Wärmetauscher 4
zur Eisbildung kommt, wird erwärmt und somit wird die
Temperatur der zum Luftkompressor 1 über die Rückführleitung
6 zurückgeführte Luft angehoben. Dies führt dazu, daß der
Wirkungsgrad des Kältekreislaufs erhöht wird.
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Die Kühleinrichtung 2 für verdichtete Luft zum Kühlen der vom
Kompressor 1 kommenden Luft umfaßt zwei Wärmetauscher 2A und
28. Der Wärmetauscher 2A kann ein Röhrenwärmetauscher sein,
wie er in der Fig. 3 gezeigt ist, der ein Gehäuse 20 und eine
Anzahl im Gehäuse 20 untergebrachter U-Röhren 21 umfaßt. Das
Gehäuse 20 ist an einem Ende mit einem Wassereinlaß 22 und
einem Wasserauslaß 23 versehen. Der Wassereinlaß 22 steht mit
dem Wasserauslaß 23 durch die U-Röhren 21 in Verbindung. Das
Gehäuse 20 ist des weiteren mit einem Lufteinlaß 24 und einem
Luftauslaß 25' ausgestattet.
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In dem gezeigten Röhrenwärmetauscher 2A wird Kühlwasser durch
den Wassereinlaß 22 eingebracht, durch die U-Röhren
hindurchgeführt und am Wasserauslaß 23 abgezogen. Im Winter
kann gewöhnliches Trinkwasser als Kühlwasser verwendet
werden. Die verdichtete Luft aus dem Kompressor 1 wird durch
den Lufteinlaß 24 in das Innere des Gehäuses 20 eingebracht
und am Luftauslaß 25' ausgeführt. Damit wird durch den
Wärmeaustausch mit dem Kühlwasser im Inneren des Gehäuses 20
die verdichtete Luft gekühlt.
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Der Wärmetauscher 2B ist ein Luft-Luft-Wärmetauscher, der vom
gleichen Typ sein kann, wie der in der Fig. 2 gezeigte
Wärmetauscher 5 zur Wärmerückgewinnung. Kühlluft, die im
Wärmetauscher 28 verwendbar sein soll, muß eine niedrige
Temperatur aufweisen. Im Winter kann die Umgebungsluft als
derartige Kühlluft eingesetzt werden.
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Der Luftkompressor 1 dient zum Verdichten der Luft mit
Umgebungsdruck mittels der Drehkraft eines Antriebsmittels 7,
um verdichtete Luft zu schaffen, beispielsweise mit einem
Druck von zwei Atmosphären. Der Luftkompressor 1 kann ein
biaxialer Schraubenverdichter sein, dessen Aufbau an sich
bekannt ist. Der biaxiale Schraubenverdichter, wie er in den
Fig. 4 und 5 gezeigt ist, beinhaltet eine rotierende Spindel
25 mit Schraubenprofil und eine Spindel 27 mit
schraubenförmigen Nuten, die ineinander eingreifen. Bei
Drehung der Spindeln in gegenläufige Richtungen wird die Luft
in den Schraubennuten Volumenänderungen unterworfen und
verdichtet. Eine Welle 26 der Spindel 25 und eine Welle 28
der Spindel 27 sind durch Zahnräder 29 und 30 miteinander
gekoppelt, so daß sie in gegenläufigen Richtungen drehen
können. Die Drehung des Antriebsmittels 7 wird zur Welle 26
übertragen und die Spindeln 25 und 27 werden in gegenläufige
Richtungen gedreht. Durch einen Ansaugeinlaß 31 eingesogene
Luft wird durch die Drehung der Spindeln 25 und 27 nach und
nach auf einen Druck von ungefähr 2 Atmosphären verdichtet
und durch einen Auslaß 32 ausgelassen. Das in Fig. 5 gezeigte
Antriebsmittel ist ein Motor.
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Die Luftexpansionsmaschine 3 ist eine biaxiale
Schraubenexpansionsmaschine, die einen Aufbau besitzt, der zu
dem des Luftkompressors 1, wie er in den Fig. 5 und 6 gezeigt
ist, symmetrisch ist. Eine Welle 36 einer rotierenden Spindel
35 und einer Welle 38 einer rotierenden Spindel 37 sind durch
Zahnräder 39 und 40 gekoppelt, so daß sie in gegenläufigen
4 Richtungen drehen können. Die durch einen Einlaß 41 in die
Luftexpansionsmaschine 3 eingebrachte verdichtete Luft
bewirkt aufgrund ihres Drucks, daß sich die Spindeln 35 und
37 drehen, und die Luft selbst wird adiabatisch auf einen
Druck entspannt, der geringfügig höher ist als der
Umgebungsdruck, und deren Temperatur ist verringert. Die so
gebildete Kaltluft wird durch einen Auslaß 42 ausgegeben.
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Die Welle 36 der rotierenden Spindel 35 der
Luftexpansionsmaschine 3 wird über eine Freilaufkupplung 44
mit einer Antriebswelle 43 des Antriebsmittels 7 gekoppelt.
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Die Freilaufkupplung 44 beinhaltet, wie es in der Fig. 7
gezeigt ist, einen Außenring 46 und einen Innenring 47 und
eine Anzahl von Nocken 45, die in einem ringförmigen
Zwischenraum zwischen dem Außen- und dem Innenring 46 bzw. 47
angeordnet sind. Die Nocken 45 sind zu dem Außen- und
Innenring 46 und 47 gegenüber einer Radialrichtung schräg
angeordnet. Durch diese schräge Anordnung der Nocken 45 kann
die Drehung zwischen dem Außen- und Innenring in einer
Richtung übertragen werden. Der Aufbau der Freilaufkupplung
44 ist an sich weithin bekannt. Durch Kopplung der Drehachse
36 der Luftexpansionsmaschine 3 mit der Antriebswelle 43 des
Motors 7 über die Freilaufkupplung 44 kann die Drehenergie
der Spindeln 35 und 37 der Luftexpansionsmaschine 3 auf die
Antriebswelle 43 des Motors 7 übertragen werden und als Teil
der Antriebsleistung für den Luftkompressor 1 wiedergewonnen
werden.
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Wie es in der Fig. 8 gezeigt ist, kann die Antriebsleistung
für den Luftkompressor 1 aus einer Wärmekraftmaschine 50 zur
Erzeugung mehrerer Energiearten erhalten werden, d.h. von
einer Antriebswelle 51 eines Stromgenerators 50. Wenn der
Luftkompressor 1 durch die Wärmekraftmaschine 50 angetrieben
wird, wird die Antriebswelle 51 der Wärmekraftmaschine 50 mit
der Antriebswelle 26 des Kompressors 1 über ein
Übersetzungsgetriebe 52 gekoppelt.
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In der Wärmekraftmaschine 50 wird ein Heißabgas, das durch
Verbrennung von Kraftstoff erhalten wird, zu einem
Abgasboiler geführt, aus dem Hochdruckdampf erhalten wird.
Das benutzte Abgas wird hingegen in Wärmeaustausch mit dem
Kühlwasser gebracht und hiernach aus dem System abgegeben.
Warmwasser wird aus dem Kühlwasser der Wärmekraftmaschine 50
erhalten. Die Antriebsleistung zum Antrieb des
Luftkompressors 1 wird aus einer Abgasturbine der
Wärmekraftmaschine 50 zur Erzeugung mehrerer Energiearten
erhalten.
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Die Überschußleistung der Wärmekraftmaschine 50 kann als
Antrieb zur Erzeugung von elektrischer Energie oder als
Antrieb für andere Kraftmaschinen eingesetzt werden. Somit
wird die Drehantriebsleistung der Wärmekraftmaschine 50
vollständig benutzt, primär zum Betreiben der
Eisbildungsanlage gemäß der Erfindung und der restliche Teil
zur Stromerzeugung und anderen Zwecken gemäß besonderer
Bedingungen zum Betreiben der Eisbildungsanlage.
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Der Wärmetauscher 4 zur Eisbildung ist ein Wärmetauscher zum
Bilden von Eisschichten auf dessen Außenflächen, indem
Kaltluft, die durch die Luftexpansionsmaschine 3 erzeugt
wurde, hier durchgeführt wird.
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Der Wärmetauscher 4 zur Eisbildung ist unterhalb der
Eisoberfläche eingebettet, beispielsweise in einer Bob- oder
Rodelbahn oder in einer Eislauffläche zum Eislaufen oder
Eishockeyspielen, um notwendige Eisschichten auf den
Außenflächen des Wärmetauschers 4 zu bilden. Der
Wärmetauscher 4 zur Eisbildung kann aus mehreren Leitungen
bestehen, die entsprechend der gewünschten besonderen
Stellung und Form der Eisschichten angeordnet sind.
Eissportanlagen können mit Wärmetauschern zur Eisbildung in
Gestalt eines Wärmetauschers mit Windungen in einer
ausgedehnter Oberfläche oder in Gestalt eines flachen
Wärmetauschers ausgestattet sein, die ein wärmeleitfähiges
Material umfassen, in dem mehrere Leitungen eingebettet sind.
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Die Fig. 9 zeigt eine Bob- oder Rodelbahn 53. Die
dargestellte Bahn 53, die ungefähr 1,3 km lang ist, ist in
sieben Teilstücke 1 bis 7 unterteilt, wobei jedes Teilstück
eine individuell gesteuerte Eisbildungsanlage besitzt. In der
Fig. 9 bezeichnen die durchgezogenen Doppelkreise die
Positionen, an denen die Eisbildungsanlagen angeordnet sind.
Die Luftumlaufleitungen der nebeneinander liegenden
Eisbildungsanlagen sind durch eine Bypaßleitung miteinander
verbunden, um so Schwierigkeiten vorzubeugen, die auftreten
können, wenn eine der benachbarten Anlagen defekt wird.
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Die Bahn 53 beginnt an einem Start 53a und endet in einem
Ziel 53c. Geringfügig unterhalb des Starts 53a ist ein Start
53b für Junioren vorgesehen. Zwischen den Starts 53a, 53b und
dem Ziel 53c ist ein Durchgang 54 zum Zurückbringen von
Fahrzeugen vom Ziel 53c zu den Starts 53a, 53b vorhanden.
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Die Fig. 10 ist ein Leitungslayout eines Wärmetauschers 4 zur
Eisbildung, die in der Bahn 53 eingebettet ist, und die
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf den Leitungsverlauf des
Wärmetauschers 4 zur Eisbildung. Auf einer Seite der Bahn ist
eine Kaltluftzuführleitung 55a und eine
Kaltluftrücklaufleitung 56b vorhanden, während auf der
anderen Seite der Bahn eine Kaltluftzuführleitung 55b und
eine Kaltluftrücklaufleitung 56a vorhanden ist. Ein Endstück
57a der Kaltluftzuführleitung 55a steht mit der
Luftexpansionsmaschine in Verbindung, während das andere
Endstück 58a der Kaltluftzuführleitung 55a verschlossen ist.
In gleicher Weise steht ein Endstück 57b der
Kaltluftzuführleitung 55b mit der Luftexpansionsmaschine in
Verbindung, während das andere Endstück 58b der
Kaltluftzuführleitung 55b verschlossen ist. Die
Kaltluftrücklaufleitungen 56a, 56b sind U-förmige Rohre, bei
denen ein Endstück 59a, 59b mit dem Wärmetauscher zur
Wärmerückgewinnung in Verbindung steht und die anderen Enden
60a, 6db verschlossen sind.
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Die Kaltluftzuführleitung 55a auf einer Seite der Bahn 53
bildet mit der Kaltluftrücklaufleitung 56a auf der anderen
Seite der Bahn 53 ein Paar. Ebenso bildet die
Kaltluftzuführleitung 55b auf der anderen Seite der Bahn 53
mit der Kaltluftrücklaufleitung 56b auf der einen Seite der
Bahn 53 ein Paar. Die Kaltluft-Zuführleitung 55a und die
Kaltluftrücklaufleitung 56a, die zusammen geführt sind, sind
durch eine Anzahl von Eisbildungsrohren 61a, die unterhalb
der Eisoberfläche quer über die Bahn parallel angeordnet
sind, miteinander verbunden. Desgleichen sind die
Kaltluftzuführleitungen 50b und die Kaltluftrücklaufleitungen
56b, die zusammenlaufen, durch eine Anzahl paralllel
zueinander angeordneter Eisbildungsleitungen 61b verbunden.
Wie es in der Fig. 10 gezeigt ist, sind die
Eisbildungsleitungen 61a und 61b abwechselnd angeordnet.
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Die in der Luftexpansionsmaschine 3 erzeugte Kaltluft wird in
zwei Teilluftströme aufgeteilt, die jeweils durch die offenen
Endstücke 57a, 57b der Kaltluftzuführleitungen 55a, 55b
eingebracht wird. Da die anderen Endstücke 58a, 58b der
Zuführleitungen 55a, 55b verschlossen sind, wird die
zugeführte Kaltluft gezwungen, durch die Eisbildungsleitungen
61a, 61b zu laufen, wieder aufgefangen in den Kaltluft-
Rücklaufleitungen 56a, 56b, wieder zusammen geführt und in
die Rückführleitung 6 geschickt.
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Die Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht eines geraden
Teilabschnittes einer Bobbahn, der mit einer
Eisbildungsanlage gemäß der Erfindung ausgestattet ist. In
der Fig. 12 bezeichnet das Bezugszeichen 65 ein
Betonfundament, das Bezugszeichen 66 eine Betonplatte und das
Bezugszeichen 67 eine Wärmeisolierschicht aus Mörtel. Auf
beiden Seiten der Bahn sind Abdeckungen 68a bzw. 68b
vorhanden. Innerhalb der Seitenabdeckung 68a sind die
Kaltluftzuführleitung 55a, die Kaltluftrücklaufleitung 56b
und eine Frischwasserleitung 69 beinhaltet. In der
Seitenabdeckung 68b sind die Kaltluftzuführleitung 55b, die
Kaltluftrücklaufleitung 56a und eine Warmwasserleitung 70
beinhaltet.
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Auf der Wärmeisolierungsschicht 67 aus Mörtel sind mehrere
Eisbildungsleitungen 61a, die mit der Kaltluftzuführleitung
55a und der Rücklaufleitung 56a in Verbindung stehen, und
eine Anzahl Eisbildungsleitungen 61b, die mit der
Kaltluftzuführleitung 55b und der Rücklaufleitung 56b in
Verbindung steht, abwechselnd, parallel zueinander über die
Bahn angeordnet, wie es in der Fig. 11 gezeigt ist. Obere
Flächen der Eisbildungsleitungen 61a und 61b sind über ein
Drahtgeflecht von einer Wärmeleitungsschicht aus Mörtel
bedeckt. Die Wärmeleitungsschicht aus Mörtel beinhaltet
hierin verteiltes metallisches Pulver.
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Die in der Luftexpansionsmaschine 3 erzeugte Kaltluft wird in
die Kaltluftzuführleitungen 55a, 55b, die in den
Seitenabdeckungen 68, 68b angeordnet sind, geschickt. Die
Kaltluft wird dann durch die in der Bahn eingebetteten
Eisbildungsleitungen 61a, 61b geführt, in den
Rücklaufleitungen 56a, 56b wieder aufgesammelt, durch den
Wärmetauscher 5 zur Wärmerückgewinnung und durch die
Rückführleitung 6 geführt und dann zum Luftkompressor 1
zurückgeführt.
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Die Eisbildungsanlage gemäß der Erfindung ist so
ausgestaltet, daß eine Teilmenge der Kaltluft, die in der
Luftexpansionsmaschine 3 erzeugt wurde, durch einen
Luftauslaß 8, der ein Ventil oder einen Schieber 9 und eine
Düse 10 (siehe Fig. 1) umfassen kann, ausgelassen werden
kann. Indem die ausgeführte Kaltluft mit Wasser in Kontakt
gebracht wird, ist es möglich, eine gewünschte Eismenge an
einer bestimmten Stelle der Bahn zu erzeugen.
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Beim Auslassen einer Teilmenge der zirkulierten Luft aus dem
Kältekreislauf, muß eine der ausgelassenen Luftmenge
entsprechende Menge an Umgebungsluft in den Kältekreislauf
eingesogen werden. Zu diesem Zweck ist ein mit einem Ventil
oder Schieber 11 versehener Einlaß 12 zum Ansaugen von
Umgebungsluft mit der Rückführleitung 6 auf deren Weg vom
Wärmetauscher 5 zur Wärmerückgewinnung zum Luftkompressor 1
verbunden, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist. Indem das Ventil
oder der Schieber 11 passend betrieben wird, kann eine
notwendige Menge an Umgebungsluft in den geschlossenen
Luftkreislauf eingesogen werden. In einem Fall, bei dem
Umgebungsluft in den Kältekreislauf eingebracht wird, tritt
das Problem des Entfernens von Feuchtigkeit der eingeführten
Umgebungluft auf. Das Problem kann dadurch gelöst werden, daß
ein Luftentfeuchter 13 stromaufwärts des Luftkompressors 1
eingebaut wird. Mittels des Luftentfeuchters 13 kann
Trockenluft, die im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist,
in den Luftkreislauf eingebracht werden. Als Luftentfeuchter
13 werden herkömmlicherweise Trockenentfeuchter eingesetzt,
die ein mikroskopisches Mittel, wie beispielsweise Silikagel,
einsetzen. Geeignete Trockenentfeuchter beinhalten einen
Munter's-Entfeuchter (Drehentfeuchter, der das verbrauchte
hygroskopische Mittel wieder herstellt) und einen Doppelturm-
Entfeuchter, bei dem die Entfeuchtung von Luft und die
Wiederherstellung des verbrauchten hygroskopischen Mittels
alternierend ausgeführt werden (Fig. 1 stellt einen
Doppelturm-Entfeuchter dar).
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Die Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht eines gekrümmten
Bobbahnabschnitt, der mit einer Eisbildungsanlage gemäß der
Erfindung ausgestattet ist. Die grundsätzliche Konstruktion
der gekrümmten Bahn ist im wesentlichen die gleiche wie die
des geraden Bahnstücks, das in der Fig. 12 gezeigt ist. Das
Bezugszeichen 75 bezeichnet ein Betonfundament, 76 eine
Betonplatte und 77 eine isolierende Mörtelschicht. Die
wärmeisolierende Mörtelschicht 77 weist einen L-förmigen
Querschnitt auf, so daß eine Bank geformt wird. Auf beiden
Seiten der Bahn sind Seitenabdeckungen 78a und 78b
geschaffen. Innerhalb der Seitenabdeckung 78a sind die
Kaltluftzuführleitung 55a, die Kaltluftrücklaufleitung 56b
und eine Frischwasserleitung 79 aufgenommen. Inseitig der
Seitenabdeckung 78b sind die Kaltluftzuführleitung 55b, die
Kaltluftrücklaufleitung 56a und eine Warmwasserleitung 80
aufgenommen. Auf der wärmeisolierenden Mörtelschicht 77 sind
eine Anzahl Eisbildungsleitungen 61a, die die
Kaltluftzuführleitung 55a und die Rücklaufleitung 56a
miteinander verbinden, und eine Anzahl Eisbildungsleitungen
61b, die die Kaltluftzuführleitung 55b und die
Rücklaufleitung 56b miteinander verbindet, parallel
zueinander, quer über die Bahn verlaufend und abwechselnd
angeordnet.
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In dem in der Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein Luftauslaß 8 zum Ausbringen von Kaltluft aus der
Kaltluftzuführleitung 55b vorgesehen. Mit dem Luftauslaß 8
ist eine Düse 82 über ein flexibles Rohr 81 verbunden.
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Somit kann eine Bahnbetreuer 83 die Bahn in einen guten
Betriebszustand versetzen, indem ein Teil der Kaltluft aus
der Kaltluftzuführleitung 55b durch die Düse 82 über den
Luftauslaß 8 und das flexible Rohr 81 verspritzt wird,
wodurch an einem vorbestimmten Bereich der Bahnoberfläche Eis
erzeugt wird. Die Eisbildung kann effektiver ausgeführt
werden, indem die Kaltluft zusammen mit einer geeigneten
Wassermenge, die aus der Frischwasserleitung 84 entnommen
wird, welche innerhalb der Seitenabdeckung 78b angeordnet
ist, verspritzt wird. Insbesondere kann der Bahnbetreuer 83
in gekrümmten Bahnabschnitten, wie es in der Fig. 13 gezeigt
ist, und in denjenigen Bahnabschnitten, die einer
Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, die Bahn geschickt in
einen einwandfreien Betriebszustand versetzen, indem die aus
der Düse 82 verspritzte Kaltluft verwendet wird.
Beispielsweise kann er aus der Frischwasserleitung 84
entnommenes Wasser versprühen, das versprühte Wasser gefriert
zu einem Eisnebel und der Eisnebel wird gegen einen
Bahnabschnitt, an dem das Eis ergänzt werden muß, geblasen.
Alternativ hierzu kann er auf einem Bahnabschnitt, an dem Eis
ergänzt werden muß, einen Wasserfilm erzeugen, und er kann
den Wasserfilm gefrieren lassen, indem die Kaltluft aus der
Düse 82 gegen den Wasserfilm geblasen wird. Indem Kaltluft,
die aus der Kaltluftzuführleitung 55b entnommen wird, mit aus
der Frischwasserleitung 84 entnommenen Wasser vermischt wird,
und die Mischung gegen einen Bahnabschnitt geblasen wird, an
dem Eis ergänzt werden muß, kann ferner auf einer
Bahnoberfläche eine Eisschicht gebildet werden, die eine
Luftmenge beinhaltet, die zum Bobfahren oder zum Rodeln am
geeignetsten ist.
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Aus der Warmwasserleitung 80 entnommenes Warmwasser kann dazu
verwendet werden, das Eis an einem vorbestimmten
Bahnabschnitt zu schmelzen und kann auch dazu hergenommen
werden, Schnee an einem vorbestimmten Bereich der Anlage zu
schmelzen. So kann beispielsweise der auf den Durchgang 54
der Fig. 9 gefallene und sich hierin angesammelte Schnee
durch das Warmwasser weggeschmolzen werden, so daß ein
Lastkraftwagen leicht auf dem Durchgang fahren kann, um
Fahrzeuge vom Ziel zum Start zu transportieren.
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Da sich eine Bob- oder Rodelbahn in verschiedene Richtungen
windet, unterscheiden sich die notwendigen
Kühlungskapazitäten von einem Abschnitt zum anderen sehr
stark. Abhängig von der Richtung und der Position erfordern
sonnige oder windige Bereiche eine höhere Kühlungskapazität
als andere Abschnitte. Für Bahnabschnitte, die eine hohe
Kühlungskapazität erfordern, ist es vorteilhaft, Kaltluft aus
der Kaltluftleitung 55a zu entnehmen und mittels einer
Leitung 85 und durch eine Spritzvorrichtung 86 die Kaltluft
auf die Bahnoberfläche aufzuspritzen, wie es in der Fig. 14
gezeigt ist. Derartige Kaltluft-Sprühvorrichtungen 86 sind
passenderweise an Bahnabschnitten vorgesehen, an denen
erhöhte Kühlungskapazitäten erforderlich sind. Die Fig. 14
gleicht der Fig. 13, bis auf das, daß die
Kaltluftsprühvorrichtung 86 die Düse 82 der Fig. 13 ersetzt.
In den Fig. 13 und 14 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen
die gleichen Bauteile.
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Verschiedene Abmessungen einer Eisbildungsanlage gemäß der
Erfindung zur Eisbildung im Winter in einer Eissportanlage
können wie folgt sein:
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Fläche zur Eisbildung in einer Anlage:
4500 m²,
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Maximallast zur Eissbildung der Anlage:
350 kcal/h m²
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Durchschnittliche Last zur Eisbildung der Anlage:
150 kcal/h m²
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Notwendiger Luftstromdurchsatz:
3000 m²/min,
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Gebiet und Zeitspanne eines Betriebes.
3 Monate, von Dezember bis Februar, in Japan,
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Durchschnittliche Temperatur des Frischwassers:
5 ºC und
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Durchschnittliche Temperatur der Umgebungsluft:
6,4 ºC.
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Bei den obengenannten Bedingungen werden die Temperatur der
dem Wärmetauscher 4 zur Eisbildung zugeführten Kaltluft und
die Temperatur der den Wärmetauscher 4 zur Eisbildung
verlassenden Luft auf -45 ºC bzw. -15 ºC festgesetzt und die
Oberfläche des erzeugten Eises wird auf einer Temperatur von
-1 ºC bis -3 ºC gehalten. Zu diesem Zweck kann die
Eisbildungsanlange mit Luft als Kältemittel unter den
nachfolgenden Bedingungen, wie sie in der Fig. 1 gezeigt
sind, betrieben werden.
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Der Luftkompressor 1 wird betrieben, um verdichtete Luft mit
einer Temperatur von 88 ºC und einem Druck von 2 Atmosphären
bereitzustellen. Durch Wärmetauscher 2A wird das
Frischwasser, das eine Temperatur von 5 ºC hat,
hindurchgeführt und auf eine Temperatur im Bereich von 60 ºC
erwärmt. Durch den Wärmetauscher 2B wird die Umgebungsluft,
die eine Temperatur von 6,4 ºC hat, hindurchgeführt und auf
eine Temperatur im Bereich von 40 ºC erwärmt. Durch den
Wärmeaustausch in den Wärmetauschern 2A und 2B wird die
verdichtete Luft auf eine Temperatur von ungefähr 20 ºC
gekühlt. Das Warmwasser und die in den Wärmetauschern 2A und
2B erhaltene Luft können zur Erwärmung oder zum Warmhalten in
der Anlage verwendet werden. Die Luftexpansionsmaschine 3
stellt Kaltluft bereit, die eine Temperatur von -45 ºC und
einen Druck hat, der leicht höher ist als der Umgebungsdruck
(beispielsweise 1,1 Atmosphären), während die Leistung des
Luftkompressors 1 wiedergewonnen wird. Die Kaltluft wird zum
Wärmetauscher 4 zur Eisbildung geführt und zur Eisbildung
unter den oben beschriebenen Bedingungen eingesetzt. Luft,
die eine Temperatur von -15 ºC hat, und die den Wärmetauscher
4 zur Eisbildung verlassen hat, wird zum Wärmetauscher 5 zur
Wärmerückgewinnung, wo sie auf eine Temperatur von 15ºC
erwärmt wird, geführt und hiernach zum Luftkompressor 1
zurückgeleitet.
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Somit ist ein Kühlkreislauf gebildet, der eine Kühlkapazität
von 7,32 kcal/kg Trockenluft und einen Wirkungsgrad von 0,8
hat. Das erzielte warme Produkt (Warmwasser und warme Luft)
hat eine Wärmemenge von 17,43 kcal/kg mit einem Wirkungsgrad
von 1,8. Damit beträgt der Gesamtwirkungsgrad des Kühlkreises
2,6.
-
Wenn die Antriebsleistung des Luftkompressors 1 von der
Antriebswelle 51 der Wärmekraftmaschine 50 zur Erzeugung
mehrerer Energieformen abgenommen wird, wie es in der Fig. 8
gezeigt ist, beträgt die Gesamtwärmemenge, die sowohl durch
das Wärme-Kraft-System und die Eisbildungsanlage erhalten
wird,
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0,45 + 0,28 + 0,63 = 1,36,
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wobei die Kraftstoffenergie, die der Kraftmaschine zugeführt
wird, 1 ist, die Abgabeleistung der Antriebswelle der
Wärmekraftmaschine 0,35 ist, die durch den in der
Wärmekraftmaschine erzeugten Dampf und das hierin erzeugte
Warmwasser wiedergewonnene Wärmeenergie 0,45 ist, da die
Eisbildungsanlage eine Kühlkapazität von 0,28 und eine
Wärmerückgewinnung von 0,63 schafft.
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Dieser Wärmemengenwert ist gut mit dem Gesamtwirkungsgrad
einer mittels einer Maschine nach dem Stand der Technik
angetriebenen Wärmepumpe vergleichbar, die mit Freon als
Arbeitsmittel arbeitet und einen Gesamtwirkungsgrad von
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0,35 x 3,0 + 0,45 = 1,5
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hat, wobei 3,0 ein Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist. Dieser
hohe Wärmemengenwert wurde bisher mit einer Eisbildungsanlage
mit Luft als Kühlmittel nicht erzielt und ist höher als ein
Wirkungsgrad bezüglich einer Primärenergie eines elektrischen
Kühlgerätes nach dem Stand der Technik, das Freon als
Arbeitsmittel verwendet, dessen Wirkungsgrad
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0,35 x 3,0 = 1,05
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beträgt, wobei 0,35 ein Wirkungsgrad eines Anschlusses zur
Aufnahme handelsüblicher elektischer Energie ist.
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Wenn die Antriebsleistung des Luftkompressors 1 aus einer
Abgasturbine der Wärmekraftmaschine 50 zur Erzeugung mehrerer
Energieformen erzielt wird, kann die gesamte Wellenleistung
der Wärmekraftmaschine 50 auf den Generator zur Erzeugung
verschiedener Energien überführt werden. Des weiteren kann
die Wellenabtriebsleistung der Wärmekraftmaschine 50 als
Antriebsquelle zum Transportieren von Personen und Waren in
der Anlage verwendet werden. Wenn in diesem Fall ein Abgas
der Wärmekraftmaschine eine Temperatur von 580 ºC und einen
Druck von 2 Atmosphären hat, weist das die Turbine
verlassende Abgas eine Temperatur von 430 ºC und einen Druck
von 1 Atmosphäre auf, und ein die Turbine verlassendes Abgas
hat eine Temperatur von 250 ºC und einen Druck von 1
Atmosphäre, so wird, unter der Annahme, daß die Energie des
zugeführten Kraftstoffs 1 ist, eine Abtriebsleistung der
Welle von ungeführ 0,25 realisiert werden, eine
Abgabeleistung der Abgasturbine von ungefähr 0,1 und eine im
Dampf und Warmwasser wiedergewonnene Wärmeenergie ungefähr
0,32 sein.
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Demgemäß wird, wenn die Antriebsleistung des Luftkompressors
1 aus einer Abgasturbine der Wärmekraftmaschine 50 zur
Erzeugung mehrerer Energien abgenommen wird, eine
Antriebsleistung von 0,25 und eine Wärmemenge von
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0,32 + 0,08 + 0,18 = 0,58
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erhalten werden, da der Kühlkreislauf gemäß der Erfindung
eine Kühlungskapazität von 0,08 und eine wiedergewonnene
Wärmemenge von 0,18 bereitstellt.
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Diese Ergebnisse sind gut vergleichbar mit Werten der
Antriebsleistung und der Wärmemenge, die bei existierenden
Wärme-Kraft-System erzielt wurden, in denen eine
Wärmekraftmaschine zur Erzeugung mehrerer Energieformen mit
einem Kühlungsgerät kombiniert wird, das Freon oder Ammoniak
als Arbeitsmittel verwendet. Somit kann gemäß der Erfindung,
trotz der Tatsache, daß in dem fraglichen Kühlkreislauf Luft
als Arbeitsmittel verwendet wird, ein energiesparendes System
aufgebaut werden, das bei der Wiedergewinnung von
Kälteenergie, Wärme und Leistung hocheffizient ist.
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Aus den Wärmetauschern 2A und 2B von Fig. 1 werden Warmwasser
und warme Luft erhalten. Ein Leitungsnetz kann so angeordnet
sein, daß das Warmwasser und die Luft zu Zuschauersitzen
überführt werden können, um diese warmzuhalten. Die
Warmwasserleitung 70 von Fig. 12 und die Warmwasserleitung 80
von Fig. 13 sind mit dem Leitungsnetz verbunden, so daß Wärme
zu den Füßen der Zuschauer und zu denen, die nahe der Bahn
stehen, geführt werden kann. Das aus den Leitungen 70 und 80
entnommene Warmwasser kann ferner dazu verwendet werden, das
Eis zu schmelzen, um eine Bahnreparatur durchführen zu
können.
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Ferner kann die Umgebung der Anlage sogar in strengen Wintern
in einem guten Betriebszustand gehalten werden, indem eine
Warmluftleitung installiert wird, mit der Warmluft zu einer
nicht stationären Zuschauertribüne oder zu Gehwegen in der
Anlage geführt wird. Das Warmwasser kann ferner dazu
verwendet werden, Schnee in dem Durchgang 54 der Fig. 9 zu
schmelzen, um hierdurch das Transportieren von Fahrzeugen vom
Ziel 53c zu den Startplätzen 53a, 53b zu erleichtern.
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Das oben beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel
betrifft eine Anwendung der Erfindung in einer
Eissportanlage, die eine Bob- oder Rodelbahn beinhaltet,
wobei Bobfahren und Rodeln draußen durchgeführt werden. Die
Erfindung ist auch in Anlagen (Eisbahn) zum Eislaufen oder
zum Eishockeyspielen anwendbar, welche Sportarten in der
Halle betrieben werden. Im letzteren Fall kann der
Wärmetauscher 4 zur Eisbildung verschiedentlich konstruiert
sein. Beispielsweise kann die Kaltluftleitung in dem
wärmeleitenden Mörtel eingebettet sein, um die
Kaltluftweiterleitung zu verstärken oder deren
Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Die Kaltluftleitung kann in
Form einer mit Rippen versehenen Windung ausgeführt sein oder
sie kann die Form eines Plattenwärmetauschers haben.
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Indem die Eisbildungsleitungen des Wärmetauschers 4 zur
Eisbildung eine erste Gruppe von Eisbildungsleitungen 61a,
die die Kaltluftzuführleitung 55a und die
Kaltluftrücklaufleitung 56a miteinander verbinden, und eine
zweite Gruppe von Eisbildungsleitungen 61b, die die
Kaltluftzuführleitung 55b und die Kaltluftrücklaufleitung 56b
miteinander verbinden, zusammengesetzt werden und die erste
und zweite Gruppe von Eisbildungsleitungen 61a und 61b
alternierend parallel über die Bahn angeordnet werden, wie es
in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, können alle Eisflächen der
Eisbahn oder der Fläche einer Eissportanlage gleichmäßig
gekühlt werden.
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Somit besitzt der Kühlungskreislauf der Eisbildungsanlage
gemäß der Erfindung aufgrund der wie hierin beschriebenen
Wärmerückgewinnung und Leistungsrückgewinnung, trotz der
Tatsache, daß Luft als Arbeitsmittel verwendet wird, einen
exzellenten Wirkungsgrad. Da die zur Eisbildung notwendige
Kälte unter Verwendung von Luft als Arbeitsmittel erzielt
wird, ist die Eisbildungsanlage gemäß der Erfindung in
keinster Weise mit dem Problem einer Umweltverschmutzung
behaftet. Im Gegenteil, ein Teil der Kaltluft, die als
Arbeitsmittel dient, kann zur Eiserzeugung nach außen
ausgegeben werden. In diesem Fall können leicht Eisflächen
mit einer bestimmten Konfiguration gebildet werden. Außerdem
kann die Energie zum Betreiben des Kühlungskreislaufs
effektiv wiedergewonnen werden, da die Kompressionswärme des
Luftkompressors, der zur Erzeugung der Kaltluft eingesetzt
ist, in Form von Warmluft und Warmwasser zurückgewonnen wird,
die wiederum zur Schaffung einer warmen Umgebung eingesetzt
werden. Die Konstruktion der Anlage gemäß der Erfindung in
einer besonderen Eissportanlage ist leicht und einfach, da
nur Luft- und Wasserleitungen angeordnet werden müssen. Die
Eisbildungsanlage, die in einer bestimmten Einrichtung
eingebaut ist, kann leicht repariert werden. Des weiteren ist
eine umfassende Energieeinsparung möglich, wenn die Anlage
gemäß der Erfindung mit einer Wärmekraftmaschine zur
Erzeugung von verschiedenen Energien kombiniert wird, wodurch
das Problem hoher Betriebskosten, die bei existierenden
Eisbildungsanlagen mit Luft als Kältemittel als Mangel
vorhanden sind, beträchtlich reduziert werden können.