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Einrichtung zum Gefrieren von Wasser Für die l-rzettgttttg
von Blockeis verwendet man im allgemeinen Hiszellen. die mit der zu gefrierenden
1# Bissigkeit angefüllt werden und einem Kaltluftstrom ausgesetzt bzw. in ein Solebad
eingehängt werden. Glas mittels einer Kältemaschine gekühlt tvirtl. Hierbei wird
der Anwendung von Kaltluft zum Ausgefrieren der Flüssigkeit vielfach der Vorzug
gegeben, da der anlagemäßige Aufwand bei einer mit Kaltluft betriebenen Einrichtung
wesentlich geringer ist als hei einer Gefriereinrichtung. die mit Kühlsole betrieben
wird. Als Fiszellett werden im allgemeinen Blechbehälter mit einem verhältnismäßig
großen Querschnitt verwendet, die beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen.
In den meisten Fällen werden die Gefrierbehälter tnit konischen. sich nach der Entnahmeseite
hin erweiternden Seitenwänden ausgeführt, uni zu verhindern, daß die Gefrierbehälter
beim Ausgefrieren derFliissigkeit und der sichdabei einstellenden Volumvergrößerung
gesprengt werden. Gerade die Verwendung von Gefrierbehältern mit verhältnismäßig
großem Inhalt bringt aber den Nachteil mit sich, daß derartige Gefriereinrichtumgen
eine lange Gefrierdauer und damit einen grollen Kältebedarf erfordern, was zu hohen
Anlage- und Betriebskosten führt. Solange die Gefrierbehä lter nur mit Flüssigkeit
gefüllt sind, sind die Wärmeübergangsverhältnisse zweifellos
günstig.
Sobald sich aber an den Wänden der Gefrierbehälter eine Eisschicht bildet, werden
die Wärmeiihergangsverhältnisse in zunehmendem Maße schlechter, wobei mit wachsender
Stärke der Eisschicht durch deren wärmeisolierende Wirkung der erforderliche Kältebedarf
ständig zunimmt.
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Es sind nun schon Einrichtungen zum Gefrieren von Flüssigkeiten vorgeschlagen
worden, bei denen dieser grundlegende Nachteil vermieden wird. Bei diesen Einrichtungen
wird der aus Rohren aufgebaute Verdampfer in ein Wasserbad eingetaucht, wobei sich
dann um die Verdampferrohre bzw. zylindrischen Verdampferelemente dünne Eiszylinder
bilden. Derartige Einrichtungen haben nun aber den Nachteil, daß das gewonnene Eis
nur als sogenanntes Scherbeneis .anfällt, da die entsprechenden Eiszylinder zur
Entnahme immer zerstört werden müssen. Dazu kommt der weitere Nachteil, daß das
gewonnene Eis stets noch verhältnismäßig viel Wasser enthält. Derartige Einrichtungen
haben sich daher nicht bewährt und kommen allenfalls nur für ganz bestimmte Verwendungszwecke
in Frage.
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Nach der Erfindung wird.nun eine Einrichtung zur Erzeugung von Eis
bzw. zum Tiefgefrieren und damit Konservieren von Obstsäften geschaffen, die nicht
mit diesen Nachteilen behaftet ist. Die Erfindung stellt dabei eine Weiterbildung
des Gegenstands des Patents 840 559 dar, indem sie vor allem eine besondere Ausbildung
von zum Ausgefrieren der flüssigkeitsenthaltenden Behälter hetritit und vorzugsweise
für die Anwendung bei der Kühlung mittels eines Luftstroms gedacht ist, wobei die
in der Abtauzone vom Luftstrom aufgenommene Kältemenge zur Vorkühlung der flüssigkeitsgefüllten
Gefrierbehälter benutzt wird. -Das Wesentliche der Einrichtung nach der Erfindung
besteht darin, daß zum Ausgefrieren der Flüssigkeit Behälter verwendet werden, die
aus einer Vielzahl von Rohren kleinen Querschnitts bestehen, die unten durch ein
oder mehrere Bodenbleche abgeschlossen sind und mit ihren oberen Enden in eine Mulde
zum Einfüllen der zu gefrierenden Flüssigkeit einmünden. Dadurch, daß der Gefrierbehälter
in viele Einheiten von kleinem Querschnitt unterteilt ist, wird die Gefrierdauer
auf ein Mindestmaß herabgesetzt und damit die erforderliche Kälteleistung gegenüber
den bisher üblichen Einrichfungen besonders klein, ohne daß eine Verminderung der
Güte der gefrorenen Flüssigkeit in Kauf genommen werden muß.
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Die Gefrierbehälter nach der Erfindung können sowohl bei solchen Gefrieranlagen
Verwendung finden, bei denen das Gefrieren mittels eines Kaltluftstroms erfolgt,
als auch bei solchen, bei denen die Gefrierbehälter in ein Solebad eingehängt werden,
(las mittels einer Kältemaschine gekühlt wird. Die in den .\1111. i bis 5 dargestellten
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind jedoch vorzugsweise für solche Anlagen vorgesehen,
die mit Kaltluft betrieben werden.
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In den :11)1>. i a und 11) ist ein nach der Erfindung ausgebildeter
Gefrierbehälter in zwei zugehörigen Schnitten dargestellt. Der Gefrierbehälter besteht
im wesentlichen an" einer größeren Anzahl von Rohren b zur Aufnahme der zii gefrierenden
Flüssigkeit, die unten durch die 13odenil>leche c abgeschlossen sind und mit ihren
oberen Enden in eine muldenförmige Blechwanne a einmünden. Letztere erleichtert
'das Einfüllen der Flüssigkeit in die Rohre b. Die flüssigkeitsgefüllten
Rohre b
werden entsprechend der eingezeichneten Pfeile e der Wirkung eines
Kaltluftstroms ausgesetzt, wodurch die in den einzelnen Elementen des Behälters
befindliche Flüssigkeit rasch zum Gefrieren kommt. Die Entnahme der fertig gefrorenen
Eisstangen erfolgt nach unten. zu welchem Zweck die Bodenbleche c als verschließbare
Klappen ausgebildet sind. Das Offnen und Schließen der Klappen erfolgt mittels einer
Verschlußeinrichtung f, deren Betätigungsweise ohne weiteres aus der Alb. ia zu
erkennen ist. Um zu verhindern, daß zu Beginn des Gefrierprozesses die in die Rohre
b eingefüllte Flüssigkeit an der Unterkante der Rohre ausläuft, werden zweckmäßig
die Klappen c auf ihrer den Rohrkanten zugewendeten Seite mit einem elastischen
Dichtungsbelag versehen. In den Verschluß f sind außerdem elastische Zwischenglieder
eingebaut, ,die im dargestellten Ausführungsbeispiel als federnde Glieder g ausgeführt
sind. An Stelle des dargestellten Verschlusses f kann aber auch irgendein anderer
geeigneter Verschluß treten, bei dem beispielsweise als elastische Zwischenglieder
Spiralfedern oder Gummihänder od. dgl. verwendet sind. Die elastischen Zwischenglieder
haben die Aufgabe, ein Nachgeben der Bodenklappen c im Offnungssinne sicherzustellen,
wenn die Flüssigkeit in den Rohren b unter Volumzunahme gefriert. Auf diese Weise
wird das sonst eintretende Sprengen des Gefrierbehälters bzw. der Rohre b mit Sicherheit
vermieden.
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Um den . Wärmeübergang noch weiter zu begünstigen und damit die Gefrierdauer
noch weiter herabzusetzen, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Wärmeübergangszahlen
der luftbeaufschlagten Außenseite der Rohre und der flüssigkeitsbeaufschlagten Innenwände
der Rohre möglichst gleich groß sind. Zu diesem Zweck werden die Rohre b auf der
luftbeaufschlagten Außenseite zweckmäßig mit Wärmeiibertragungsrippen /t versehen,
wie <lies in den Abb. 2a bis 2c dargestellt ist. :11s Wärmeültertragungsrippen
eignen sich dabei besonders solche, die durch entsprechende Ausschnitte aus einer
Vielzahl von dreieekförmigen Blechlappen bestehen, die den Rohrquerschnitt strahlenförmig
umgeben (Abb. 2 c). Diese Rippenform ist besonders vorteilhaft, weil durch die erhöhte
Kantenwirkung eine Aufspaltung der Grenzschichten der strömenden (Kaltluft und damit
eine besonders günstige Wärmeübergangszahl sichergestellt wird. Die Abb.2a zeigt
gerade zylindrische Rohre, wie sie in Abb. i verwendet sind, während die Rohre b
der Alb. 21> sich in Anlehnung an die bekannten Gefrierbehälter nach der l#.nttiahineseite,
also nach unten, konisch erweitern.
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13ei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
werden
Rohre h von kreisförrnigem Querschnitt verwendet. Ur' jedoch den durch die Rohre
b gegebenen Strömungswiderstand für -den Luftstrom e möglichst klein zu halten,
was wiederum im Sinne einer Verbesserung der Wärmeiibergangsverhältnisse wirkt,
werden in Weiterbildung der Erfindung zweckniäliig zum Aufbau des Gefrierbehälters
Rohre verwendet, die einen strömungstechnisch günstigen Querschnitt besitzen. Derartige
Querschnittsformen sind in den Abb. 3 a bis 3c dargestellt. Hierbei zeigt Abb. 3a
Rohre mit einem tropfenförmigen. _1M>.31> mit einem flachelliptischer, und :@ltlt.
3c mit eitlen' linsenförmigen Querschnitt.
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In Altft. .1 ist noch eilte weitere Querschnittsform (ltlionil)tis)
für die kohle b dargestellt, die sowohl str<tntungsteclitiiscli günstig ist als
auch für die Lagerung der fertig gefrorenen Stangen besonders vorteilhaft ist, da
sich Stangen dieser Querschnittsforin gegenüber solchen mit den 'ihrigen Querschnittsformen
fiel der Lagerung besser schichten lassen.
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Durch die Unterteilung des Gefrierbehälters in eine Vielzahl Teilelemente
von verhältnismäßig kleinen' Querschnitt wird zweifellos die luftbeaufschlagte Oberfläche,
die durch die Summe der Rohrwandungen gegeiten ist, im Verhältnis zu der Füllung
des lieli@;ilters besonders groß. Dies wirkt sich entsprechend den obigen Angaben
zweifellos vorteilhaft auf die Wärmeübergangsverhältnisse und damit die Gefrierdauer
aus. Man könnte jedoch eiriwenilen. daß durch die große Oberfläche im Verhältnis
zuln Gesamtinhalt des Behälters bei der zur Entnahme der gefrorenen Stangen not-%\-endigen
Abtauung derselben von den Rohrwandungen große Verluste entstehen und daß durch
diesen :\lttativerltist ein Teil der beschriebenen Vorteile der Einrichtung wieder
verlorengeht. Diese Verluste können alter praktisch dadurch ausgeschaltet werden,
daß man eine Gefriereinrichtung verwendet, hei der die beim Alttauen frei werdende
Kälteenergie zum Vorkühlen der in der Einrichtung eingebrachten flüssigkeitsgefüllten
Behälter verwendet wird.
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Eine Einrichtung dieser Art ist in Alb. 5 dargestellt. I@ei <fieser
Einrichtung durchwandern die mit i bezeichneten, entsprechend der Abb. i ausgebildeten
Gefrierbehä lter in kontinuierlichem Kreislauf eilte Vorkühlzone A, die eigentliche
Gefrierzone f3 und die sogenannte Alttauzone C. Die gesamte l?inriclitung ist bei
diesem Ausführungsbeispiel als ringförmiger Kanal ausgebildet, #,voltei die Gefrierzone
ß beispielsweise drei Viertel dieses Ringkanals einnimmt, während das restliche
Viertel von der getneitisanien Vorkühlzone A und Abtauzolle C eingenommen wird.
Die Einrichtung wird mittels zweier getremiter Luftströme betrieben, von (leiten
der eine vom Lüfter k Tiber den Verdampfer m der Kältemaschine umgewälzte Luftstrom
der Gefrierzone 13 zugeordnet und der zweite vom Lüfter )t in geschlossenem Kreislauf
umgewälzte Luftstrom der gemeinsamen Vorkühlzone A und Ahtatizone C zugeordnet ist.
Um zti verhiriderr, daß eine Mischung der beiden Luftströme eintritt und um andererseits
sicherzustellen, dali die Gefrierbehälter i die einzelnen Zonen ungehindert passieren
können, sind die Gefrierzone 13 einerseits und die gemeinsame Vorkühlzorte .I und
die Abtauzone C andererseits durch Schleusen o voneinander getrennt. In gleicher
@Veise sind Schleusen p und q vorgesehen, dureh die die Gefrierbehälter i
in die Vorkühlzone eingebracht bzw. aus der Abtauzone entnommen werden körnen. Betrachtet
matt null die in der Alb. dargestellte augenblickliche Stellung der Gefrierhehä,lter
i, die, wie bereits oben erwähnt, sich entsprechend der eingezeichneten Pfeilrichtung
il' geschlossenem Kreislauf durch die Einrichtung beweUen, so* wird von dem vom
Lüfter rt umgewälzten Luftstrom zunächst der in der Abtauzone C befindliche Gefrierbehälter
beaufschlagt. Die vom Lüfter rr umgewälzte Luft kühlt sich dabei all dem genannter
Gefrierbehälter nach 'Maßgabe der beim .Utauen der gefrorenen Stangen von den Röhr
wänden frei werdenden Kälteenergie alt und gelangt anschließend in die Vorkühlzone
A, wo sie die in der Abtauzone aufgenommene Kälteenergie all die in ihr befindlichen
mit Flüssigkeit gefüllten Behälter abgibt und damit diese vorkühlt. Auf diese \Veise
wird also die zum Abtauen notwendige Energie durch die Vorkühlung der in die Gefrierzotte
R eintretenden flüssigkeitsgefüllten Behälter nutzbringend verwendet. Mit Hilfe
des in der Vorkühlzone angebrachten Schiebers r kann der Luftumlauf in der gemeinsamen
Vorkühl- und Abtauzone je nach den gegebenen Verhältnissen geregelt werden.