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Eiserzeuger Die Erfindung betrifft einen, Eiserzeuger mit direkter
Gefrierung des Wassers an den Verdampferwandungen, insbesondere für schwankende
Standorte (Schiffe o .d. ,dgl.) und besteht im wesentlichen darin, daß sowohl die
Verdampfergefrierzellen als auch die Kondensatorkühlrohre als beiderseits offene,
doppelwandige Rohre ausgebildet sind, deren Mantelz-,vischenräume von dem Kältemittel
durchflossen werden und die von der gefrierenden Flüssigkeit bzw. Kühlmittel überflutet
sind und durch die zwecks Erzielung eines regen Umlaufes Flüssigkeit aus dem überflutenden
Bad eingespritzt wird.
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Eiserzeuger mit direkter Gefrierung an den Verdampferwandungen, bei
denen das Abtauen .durch Kältemitteldampf erfolgt, sind an sich bekannt. Es ist
ferner bekannt, hierfür als Gefrierzellen beiderseits offene doppelwandige Rohre
zu verwenden, bei .denen der Mantelzwischenraum als Verdampfungsraum,dient und wobei
.die beiderseits offenen Enden in ein gemeinsames Gefrierwasserbad tauchen, durch
welches sie überflutet werden. Schließlich ist auch bereits bekannt, durch diese
Verdampfergefrierzellen zwecks Klareiserzeugung von unten Luft einzublasen, wodurch
ein ständiger Wasserstrom durch die Gefrierzellen erzeugt wird, durch ,den die sich.
ausscheidenden Beimengungen nach oben in das überflutende Wasserbad hinausgespült
werden.
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Neu ist hingegen :das Blinspritzen von Wasser von oben durch die Gefrierzellen.
Durch :diese Maßnahme wird ein wirksameres Herausspülen der
Beimengungen
bei geringerem Energieaufwand erreicht; denn die Beimengungen, wie Salz, mechanische
Teilchen usw., sind. im allgemeinen schwerer als Wasser. Das Herausspülen dieser
schwereren Bestandteile erfolgt bei dem Einblasen von Luft von unten mithin entgegen
der Gewichtswirkung dieser, sie :bleiben also dauernd im Gefrierwasser in aufgewirbeltem
Zustand und reichern dieses immer weiter mit den Verunreinigungen an. Hierdurch
wird .die Erzielung eines klaren Eises mit fortschreitender Ausgefrierung immer
schwieriger. Dieser Übelstand wird mit .dem iTinspritzen von Wasser von oben vermieden,
da hierbei .das Herausspülen ,der Beimengungen in Richtung ihrer Schwerewirkung
nach unten erfolgt, sie werden also nach :dem unteren Wasserraum fortgespült und
lagern sich im Bodenraum ab, sie werden so aus :dem umlaufendenG.efrierwasser ausgeschieden,
und :dieses bleibt mithin in seiner Zusammensetzung bei :dem Gefriervorgang fast
unverändert. Außerdem ist der Kraftaufwand :hierbei geringer, :da kein hydrostatischer
Druckunterschied. zu überwinden ist. Vor allem aber, und .darin wird der Hauptvorteil
erblickt, ermöglicht diese Methode (Einspritzen von Badwasser von oben) den Bau
von Gefrierbadbehältern mit dichtem Abseb.luß gegen den Außenraum, was für die Entwicklung
eines bordfähigen Eiserzeugers mit starken Lagen- und Neigungsänderungen sowie unregelmäßigen
Erschütterungen besonders wichtig ist.
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Vor allem aber wird ,in der Kombination :dieses Eiserzeugers mit :einem
nach den gleichen Grundsätzen (doppelwandige, beiderseits offene, in ein gemeinsames
Kühlwasserbad tauchende Kühlrohre) gebauten Kondensator ein wesentlicher Fortschritt
erblickt, wie aus den folgenden Erläuterungen hervorgeht.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. i zeigt eine erfindungsgemäße Gesamtgefrieranlage im Schnitt,
Fig. 2 einen Grundriß zu Fig. i ; in Fig. 3 ist ein Teil A .des Kondensators nach
Fig. i bzw. 4 dargestellt; Fig. 4 zeigt schließlich einen gleichen Kondensator wie
Fig. i, jedoch mit einem oben offenen Kühlwasserbehälter für stationären Betrieb.
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In Fig. i und 2 ,bedeutet i doppelwandige, beiderseits offene Verdampfergefrierzellen.
Der Mantelzwischenraum 2 dient als Verdampferraum. 3 ist ein Rücklaufrohr bzw. Flüssigkeitsabscheider,
an :den die oberen Dampfräume des Verdampfers durch Leitungen 4, die unteren Flüssigkeitsräume
:durch Leitungen 5 angeschlossen sind. Dieses ganze Verdampfersystem ist in einem
Gefrierwasserbad 6: angeordnet. Um .die Außenwände der Gefrierzellen i und das Rückfluß.rohr
3 gegen das Badwasser zu isolieren, ist dieses ganze Gefrierzellenrückflußrohrsystem
in einem abgeschlossenen Kasten 7 bis auf die offenen Zellenenden eingebaut und
dieser in den Wasserbehälter 6 eingebaut.
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deutet einen Kompressor, 9 eine Umgangsleiturig mit einem Absperrventil
io zu dem Kompressor an. Die absperrbare Umgangsleitung .dient dazu, zwecks Abtauens
der gebildeten Eiskörper einen Umgang zum Kompressor zu öffnen.
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Um diesen Eiserzeuger besonders für stark schwankende Schiffe, z.
B. für Fischkutter od. dgl., geeignet zu machen, wird der Wasserbehälter 6 durch
einen :dicht schließenden aufklappbaren Deckel i i abgedeckt. Selbst starke Neigungsänderungen
und Erschütterungen können den normalen Eiserzeugungsbetrieb: durch diese Maßnahmen
nicht stören. Auch das Abtauen kann bei geschlossenem Behälter erfolgen. Es ist
daher lediglich ein kurzes Öffnen zum Herausnehmen :der losgetauten Eiskörper erforderlich.
Um den Gefriervorgang und ,das Abtauen im abgeschlossenen Behälter 6 von außen (beobachten
zu können, ist auf :dem Deckel. ri ein Fenster 12 vorgesehen.
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Infolge der Volumenänderungen bei der Gefrierurig würden ohne besondere
Maßnahmen Überdrücke im Behälter 6 entstehen. Um .diese zu vermelden, schließt an
den unteren Teil des Behälters :eine Druckausgleichleitung 13 an, die hochgeführt
,wird und zweckmäbig oberhalb :der Mitte des Behälters 6 mündet. Durch den Gefriervorgang
ver-,drängtes Wasser kann. hier also frei abfließen. Durch diese Anordnung bleibt
auch in .dieser Hinsicht die Lage und Neigung des Behälters 6 ohne nennenswerten
Einfluß auf den Gefrierbetrieb.
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Auf :dem Deckel i i ist eine Pumpe 14 angeordnet, die mittels :der
Saugleitung 15 Wasser aus dem Gefrierwasserbad ansaugt und in .die Verteilungsleitung
16 drückt. Aus dieser wird es mittels ,der über den einzelnen Gefrierzellen angeordneten
Düsen 17 in die,Gafrierzellen i eingespritzt. Dieser eingespritzte Wasserstrahl
saugt injektorartig weiteres Wasser aus dem Bad an und durchspült so wirksam die
Gefrierzellen. Das sich an den Verdampferwandungen bildende Eis iS tv!ird also ,dauernd
von dem Wasserstrom umspült und die sich bei der Eisbildung an :der Eisoberfläche
ausscheidenden Bestandteile, Salze usw., werden nach dem unteren Wasserraum fortgespült,
wo sie sich mehr oder weniger ablagern. Pumpe 14 und Verteilungsleitung 16 mit den
Düsen sind an Deckel i i befestigt, sie werden also beim Aufklappen des letzteren
mit ausgeschwenkt. Die losgetauten Eiskörper können. also frei herausgenommen werden.
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Nach Fig. 2 sind die Gefrierzellen i konzentrisch um :das in -der
Mitte angeordnete Rücklaufrohr 3 angeordnet, der Behälter 6 erhält entsprechend
einen kreisförmigen Querschnitt: Auch durch diese Äusgestaltung werden - störende
Einflüsse infolge der Lagen- bzw. Neigungsänderungen und Erschütterungen auf Schiffen
bei Eiserzeugungsbetrieb. auf ein Minimum beschränkt.
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Der Kondensator besteht im wesentlichen aus den Doppelrohren i9:,
das obere Verteilungsrohr Zia und :das untere Sammelrohr zi. Die inneren Steigrohre
ig werden -durch die Verteilungs- und Sammelrohre hindurchgeführt, sie stehen also
beiderseits mit dem Kühlwasserbad in Verbindung. Die äußeren Mantelrohre enden jedoch
an den einander zugekehrten Mantelflächen des Verteilungs
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des Sammelrohres 20, 21, -,vie in Fig. 3 in größerem Maßstab veranschaulicht äst.
Die Mantelzwischenräume der Doppelrohre ig stehen also mit .den inneren Räumen.
des Verteilungs- und Sammelrohres 2io" 2@i in offener Verbindung.
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Wird auf Abtauen umgeschaltet, so arbeitet der Kondensator als Verdampfer.
Für diesen Fall ist ein reger Umlauf des Kältemittels durch die Doppelrohre ig@
von großem Wert. Zu diesem Zweck ist das Verteilungsrohr 20 mit dem Sammelrohr 2-i
noch durch eine besondere, gegen die Badflüssigkeit isolierte Rücklaufleitung 2,2
verbunden. Die Isolierung dieses Rückflußrohres erfolgt nach der Zeichnung dadurch,
daß auch dieses als Doppelrohr ausgebildet ist. In diesem Fall mündet aber das Innenrohr
22 in die anschließenden Rohre 2o, 2'I, während der Außenmantel, ähnlich wie bei
den Verdampfergefrierzellen i, 2, ,direkt an ,das Innenrohr anschließt. Der luftgefüllte
Mantelzwischenraum dient hierbei als Isolation.
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Das gesamte Kondensatorsystem wird wieder in einem mit Kühlwasser
gefüllten Behälter 23 so angeordnet, daß er vom Kühlwasser überflutet wird. Auch
dieser Behälter wird zur Sicherung der störenden, Einflüsse bei Lagen- und Bewegungsänderungen
durch einen dicht schließenden Deckel 24 nach außen. abgeschlossen.. Der Küh.lwasserzufluß
erfolgt bei 25 und wird durch einen Zuflußregler 26 gesteuert. Dieser wiederum
wird nach der Zeichnung über die Leitung 27 derart beeinflußt, daß auf einen bestimmten
Kondensationsdruck gearbeitet wird. Statt, die Beeinflussung durch den Kon.densatordruck
erfolgen zu lassen, kann dies auch mittels eines Thermostaten durch die Temperatur
des bei 28 abfließenden Kühlwassers erfolgen. Durch " diese erfindungsgemäße Maßnahme
wird eine besonders gute Wirtschaftlichkeit der Eiserzeugung sowohl hinsichtlich
des Kühlwasser- als auch Energieverbrauches erzielt, wie sich aus folgender Überlegung
ergibt: Zunächst wird das frisch zugeleitete Kühlwasser im normalen Gefrierbetrieb
auf die gewünschte optimale Mindestmenge begrenzt. Wird nun auf Abtauen umgeschaltet,
so. wird dem Kühlwasservorrat im Behälter 23 die erforderliche Abtauwärme entzogen,
während der Kondensatordruck sinkt. Die Frischwasserzufuhr wird also durch den Zuflußregler
selbsttätig unterbrochen und bleibt während .des ganzen Abtauprozesses abgesperrt.
Durch das warme Kühlwasser im Kondensatorbehälter 23 wird ,zudem ,der Abtauprozeß
beschleurügt, da die mittleren Druck-, Dichte- und:. Temperaturverhältnisse im Kältemittelsy
stem, ganz gleich, ob mit Umkehrung .des Kältemittelstromes oder mit Druckausgleich
gearbeitet wird, erhöht werden. Bei Umkehrbetrieb wird aus diesem gleichen Grunde
auch der Energiebedarf gesenkt. Wird nach erfolgtem Abtauen wieder auf normalen,
Kältebetrieb zurückgeschaltet, so bleibt automatisch noch. die Frischwasserzufuhr
so: lange unterbrochen, bis wieder die normale obere Kühlwassertemperatur und damit
der normale Kon.densatordruck erreicht ist. Auch während dieser Anlaufperiode wird
der Kraftbedarf des Kompressors wegen des niedrigeren Kondensationsdruckes bei zunächst
höherem Verdampfungs.druck erheblich herabgemindert. Aus diesen obigen Erwägungen
heraus wird man ,den Kühlwasserbehälter zweckmäßig so groß bemessen, daß der für
den Abtauvorgang benötigte Wärmebedarf dem Wärmeinhalt des Kühlwasservorrates entnommen
werden kann, ohne dieses unter die Zuflußtemperatur herabzukühlen.
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Um einen regen Wärmeaustausch zwischen Kühlwasser und Kondensator
zu erzielen, wird auch hier Kühlwasser in die Kühlrohre ig, eingespritzt.
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Für den Kondensator ist die Durchflußrichtung ohne besondere Bedeutung.
Der bequemeren baulichen Anordnung wegen erfolgt daher hier die Einspritzung von
unten nach oben. Zu diesem Zweck wird durch die: Pumpe 2,9- Kühlwasser aus dem oberen
Teil ,des Kühlwasserbehälters 23 durch Saugleitung 3o angesaugt und in die Verteilungsleitung
31 gedrückt, aus der es in. der vorhin beschriebenen Weise :durch Einspritzdüsen
32 in die Kühlrohre ig gelangt. Durch diesen Einspritzstrahl wird wieder Wasser
aus dem Kühlwasserbehälter 23 angesaugt, welches sodann, an den Außenmänteln der
Kühlrohre herabfließt. Es wird also ein reger Umlauf erzielt, und der Kühlwasservorrat
Bim Behälter 23 wird: mehrmals an d en Wärmeaustauschfiächen vorbeigeführt. Hierdurch
wird neben einem guten Wärmeaustausch zwischen Kühlwasser und Wärmeaustauschflächen
eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Kühlwassers und damit eine gute Ausnutzung
.dieses erreicht.
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Die Abflußleitung 28 wird oberhalb der oberen Kondensatarmündung angeordnet,
wodurch eine dauernde Überflutung dieser gewährleistet ist.
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In der Fig. i bedeutet ferner 33 ein Schwimmerventil, das vom Flüssigkeitszufluß
gesteuert wird, und 34 einen Speicherraum, in den die Kälteflüssigkeit aus .dem
Verdampfer bei Umschaltung auf Abtauen gesaugt bzw. gedrückt wird.
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Der Arbeitsvorgang dieser Anlage kann an Hand der Zeichnung an sich
als bekannt vorausgesetzt werden. Der Kompressor 8 saugt während der Gefrierperiode
den Kältem.itteldampf aus dem Verdampfersystem über Leitung 35 und drückt ihn durch
Leitung 36 in das Kondensatorsystem. Das in diesem niedergeschlagene Kondensat
wird nach Maßgabe seines Anfalles durch das Schwimmerventil33 auf den Verdampfungsdruck
entspannt, und das bei der Entspannung entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird
in den oberen Teil des Speichers 34 geleitet. Von dem tiefsten Punkt dieses wird
die Flüssigkeit von .dem im Speicher 34 verbleibenden Dampf restlos in das Verdampfersystem
gedrückt, .in dem säe in bekannter Weise kälteerzeugend verdampft. In den Gefrierzellen
wird das Eis 18 erzeugt. Infolge der Einspritzung von Gefrierwasser durch :die Düsen
17 wird, wie bereits gesagt, Klareis erzeugt, da die an der gefrierenden Eisoberfläche
ausgeschiedenen Verunreinigungen nach dem unteren Raum des Gefrierwasserbehälters
hinausgespült
werden, wo sie sich infolge .ihres höheren spezifischen Gewichtes mehr oder weniger
ablagern. Wird die Wassereinspritzung durch die Düsen 17 unterbrochen, und damit
der Umlauf des Gefrierwassers durch die Gefrierzellen, so gefriert .das Wasser in
dem vorhandenen Zustand. Meerwasser .wird also zu Soleeis von dem Salzgehalt des
Meerwassers selbst gefrieren. Man ist also @in der Lage, durch entsprechende Regulierung
der Einspritz- und damit Umlaufmenge den Salzgehalt ,des erzeugten Eises in,den
Grenzen von N ull und dem vollen Salzgehalt des Meerwassers variieren zu können.
Dies ist für die Eiserzeugung auf Fischereifahrzeugen von großer Bedeutung, da hier
ein, Meerwassereis von bestimmtem Salzgehalt erstrebt wird, der niedriger ist, als
dem Salzgehalt des Meerwassers entspricht.
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Soll nun .das erzeugte Eis abgetaut werden, so wird das Absperrventil
io .geöffnet, und es erfolgt ein Druckausgleich zwischen. Verdampfer und Kondensator,
wobei der gemeinsame Zwischendruck zwischen dem normalen Kondensator- und Verdampferdruck
zu liegen !kommt. Das Schwimmerventil 33 schließt automatisch, und die Kälteflüssigkeit
wird aus dem Verdampfersystem i bis 5 durch die Leitung 37 in den unter niedrigerem
Druck verbliebenen Speicherbehälter 34 gedrückt. Die eisberührten Verdampferwandungen
werden also sofort -in vollem Umfang von dem unter höherem Mitteldruck stehenden
und damit wärmeren Kältemitteldampf umspült und gleichmäßig losgetaut. Nach erfolgtem
Lostauen steigen die Eisblöcke hoch, was durch das Fenster 12 beobachtet werden
kann. Sind alle Eisblöcke aus den Gefrierzellen hochgestiegen, so wird, kurzzeitig
der Behälterdeckel i i hochgeklappt, die Eiskörper können frei herausgehoben werden,
und der neue Gefrierprozeß kann wiedereingeschaltet werden..
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In Fig. 4 ist ein Kondensator von dem gleiichen Aufbau wie in Fig.
i dargestellt, ,jedoch für stationären Betrieb. Die gleichen Teile in dieser Darstellung
sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i versehen. Der Deckel 24 kommt
hierbei in Fortfall, die Außenluft hat also freien Zutritt zu der Wasseroberfläche.
Hierdurch wird, wie Versuche ergeben haben, eine zusätzliche Verdunstungskühlung
erreicht. Diese wird dadurch, begünstigt, daß die Wasseroberfläche durch die Umwälzungen
in eine unruhige wallende Bewegung versetzt wird. Dieser Umstand läßt es zweckmäßig
erscheinen, für solche stationären Kondensatoren dieser Bauart statt Badflüssigkeit
Luft einzublasen, dadurch diese,die wallenden und wirbelnden, sozusagen kochenden
Bewegungen an der Wasseroberfläche stark erhöht werden, wie gleichfalls durch Versuche
bestätigt worden ist. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird erfindungsgemäß zweckmäßig
über der freien Kühlwasseroberfläche ein. Ventilator 38 angeordnet, der Außenluft
so ansaugt, daß diese .die Wass,eraberfläche bestreicht.
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Durch diese letzten Maßnahmen werden erhebliche Ersparnisse an Kühlwasser
erzielt, sie sind also besonders wichtig für Gegenden mit ungünstigen Kühlwasserverhältnissen,
wie in den Tropen oder sonstigen wasserarmen Gegenden.
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Eine zusätzliche Verdunstungskühlung findet im allgemeinen auch dann
statt, wenn die Außenluft mit Wasserdampf gesättigt ist. Dies ist durch den Umstand
bedingt, daß :das Kühlwasser an .der Oberfläche, durch Aufnahme der Kondensationswärme
im allgemeinen eine höhere Temperatur annimmt als die der Außenluft, zumindest aber
,dem Taupunkt dieser entspricht. Es wird daher die Dampfspannung an der Wasseräberfläche
immer höher sein als die Spannung des in der Luft enthaltenen Dampfes. Da die Verdunstungsintensität
aber angenähert proportional mit dem Unterschied der Dampfspannung an der verdunstenden
Wasseroberfläche einerseits und .der Dampfspannung in der Luft andererseits wächst,
so ergibt sich hieraus die intensive Verdunstungskühlung an -der erwärmten bewegten
Oberfläche. Aus diesen Erwägungen heraus könnte es bei 'besonderer Wasserknappheiit
zweckmäßig erscheinen, eine Berieselungskühlung mit gleichzeitigem Luftdurchfluß
über der herabrieselnden Wasseroberfläche vorzusehen, .da hierbei die Verdunstungskühlung
gleichzeitig und unmittelbar mit dem Wärmeaustausch zwischen kühlendem Rieselwasser
und Wärmeaustauschflächen erfolgt.