EP1203190A1 - Eisgenerator zur erzeugung einer wässrigen suspension aus eiskristallen - Google Patents

Eisgenerator zur erzeugung einer wässrigen suspension aus eiskristallen

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EP1203190A1
EP1203190A1 EP00954378A EP00954378A EP1203190A1 EP 1203190 A1 EP1203190 A1 EP 1203190A1 EP 00954378 A EP00954378 A EP 00954378A EP 00954378 A EP00954378 A EP 00954378A EP 1203190 A1 EP1203190 A1 EP 1203190A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ice
stripping
tubes
pipes
generator according
Prior art date
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Granted
Application number
EP00954378A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1203190B1 (de
Inventor
Christian DÖTSCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP1203190A1 publication Critical patent/EP1203190A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1203190B1 publication Critical patent/EP1203190B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C1/00—Producing ice
    • F25C1/12—Producing ice by freezing water on cooled surfaces, e.g. to form slabs
    • F25C1/14—Producing ice by freezing water on cooled surfaces, e.g. to form slabs to form thin sheets which are removed by scraping or wedging, e.g. in the form of flakes
    • F25C1/145—Producing ice by freezing water on cooled surfaces, e.g. to form slabs to form thin sheets which are removed by scraping or wedging, e.g. in the form of flakes from the inner walls of cooled bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C2301/00—Special arrangements or features for producing ice
    • F25C2301/002—Producing ice slurries

Definitions

  • the invention relates to an ice generator for producing an aqueous suspension from ice crystals.
  • ice slurry an aqueous suspension of small ice crystals
  • ice slurry offers particular advantages. Since this suspension is in a flowable state, ice slurry can be pumped through pipes like a liquid.
  • this coolant has a high energy density due to the heat of fusion required for the phase transformation of the ice crystals into water. Ice slurry is therefore an ideal medium for the transport and distribution of cold.
  • Exemplary fields of application of this medium are the air conditioning of buildings, the use in local cooling networks, the cooling of storage rooms and the cooling of production processes, for example in milk plants.
  • the cooling or cooling systems used for cooling mainly consist of the ice generator or ice maker, an ice storage container, one
  • vacuum ice generators are often used, which work at the triple point of the water.
  • the water to be cooled or to be transformed into a water-ice suspension is expanded in vacuum ice makers to the pressure of the triple point prevailing there. Due to the expansion, part of the water evaporates and extracts heat from the system. As a result, finely divided ice crystals form in the water phase.
  • the present invention is based on a further known method for producing ice slurry, the ice generators of which can be described by the generic term ice scraper.
  • Ice scrapers generally consist of a heat exchanger through which evaporating refrigerant flows on one side and water or an aqueous medium as the coolant on the other side. Due to the heat removal by the evaporating refrigerant, ice crystals form on the heat exchanger surface, which are removed from the heat exchanger wall by a scratching or stripping mechanism. Here, the ice crystals accumulate in the water or aqueous medium and flow with it from the ice maker.
  • the scraper mechanism can be implemented, for example, by rigid scratches or flexible wipers.
  • the stripping mechanisms are driven from the outside, for example by an electric motor.
  • Ice scrapers are essentially known in two designs.
  • One of these designs is based on a double-tube heat exchanger.
  • the liquid refrigerant is evaporated in the annular gap between the two pipes.
  • the aqueous liquid is pumped through the inner tube and freezes on the cooled surface, where it forms ice crystals.
  • the ice crystals are removed by rotating scrapers arranged in the inner tube and form an aqueous suspension with the flowing aqueous liquid.
  • the rotating scrapers are driven by an electric motor.
  • GB 2 232 469 describes an ice machine in the form of a double-tube container in which the aqueous medium is provided in the inner cylindrical volume and the refrigerant is provided in the outer casing.
  • the ice is scraped off the inner wall with the help of a rotating rotor arrangement with lateral ice scrapers arranged along the axis.
  • the rotor takes up a lot of space.
  • tube bundle heat exchangers or evaporators are therefore generally used, as described, for example, in HL by Cube et al. , "Textbook of refrigeration technology", vol. 1, 4th edition, Müller Verlag Heidelberg, pp. 298-300.
  • These consist of several parallel tubes for the aqueous coolant, which run in a container for the refrigerant.
  • the aqueous liquid is fed in at the upper tube plate and forms a falling film on the inside of the tube.
  • Tube bundle heat exchangers of this type have the advantage of a significantly larger heat exchanger surface area in comparison with double tube heat exchangers with a compact size. Due to the functional principle, however, the centrifugal rods must be made somewhat solid and, due to their eccentric drive, require additional space so that the pipes cannot fall below a certain minimum diameter. This prevents the use of very small inner tubes which are effective with regard to the ice-making capacity, so that the capacity of such ice-makers relating to the apparatus volume cannot be increased.
  • GB 2 285 500 discloses an ice generator which has a heat exchanger with a plurality of tubes arranged in a container. With this ice generator, the aqueous coolant is in the container while the coolant flows through the pipes. This mode of operation causes the ice crystals to settle on the outer walls of the pipes. To strip off the ice crystals, a recurring lifting movement is applied to a plate-shaped stripping device which has openings for the tubes.
  • the object of the present invention is an ice generator for producing an aqueous To provide a suspension of ice crystals, which enables high performance per construction volume.
  • the ice generator should continue to be simple and inexpensive to implement.
  • the ice generator according to the invention consists of a heat exchanger, preferably in the form of a tube bundle heat exchanger, with a plurality of tubes for an aqueous coolant, which run approximately linearly next to one another in a container for a refrigerant.
  • a mechanism is also provided for removing ice deposited on inner walls of the tubes.
  • the mechanism comprises stripping devices running in the tubes and a drive for the stripping devices.
  • the stripping devices are formed according to the invention from stripping elements connected to one another along the tube axes, the circumference of which essentially corresponds to the inner circumference of the tubes and which have a central passage for the coolant, so that they only slightly impede the flow of the refrigerant through the tubes.
  • the stripping devices are connected to the drive, which drives them for the recurring stroke movement along the tube axes.
  • the stripping elements are designed in such a way that when they move along the tube axes with their outer boundaries they strip off ice formed on the inner wall of the tubes. For this it is necessary that the diameter of the stripping elements in the plane perpendicular to the pipe axis essentially corresponds to the diameter of the pipes. Of course, this condition does not have to be met exactly. Rather, there may be small gaps between the stripping elements and the inner tube wall, as long as the function of stripping ice crystals is still fulfilled.
  • the adaptation of the circumference of the stripping elements to the inner circumference of the tubes here means that the stripping elements have the circumferential shape of the inner tube when viewed from above in the direction of the tube axis.
  • the stripping elements also have a generous passage for the refrigerant so that it can flow through the pipe almost unhindered. It goes without saying that through the
  • the lifting movement generated by the drive must produce a sufficiently large stroke so that a gap between individual stripping elements of the stripping devices is covered by the lifting movement.
  • the stripping elements can have different mutual distances from one another along the tube axis, but are preferably arranged at equal distances from one another.
  • the stripping devices have the shape of a helical spring, one turn of the helical spring corresponding to one stripping element.
  • the material of the coil spring can be so rigid that it has no elasticity along the
  • the helical spring can also be elastic, so that the stripping device device performs a natural vibration during the lifting movement.
  • Such a stripping device designed in the form of a helical spring has the particular advantage of being easy to manufacture and optimally loading the inner tube wall with a small space requirement.
  • the low material volume of the helical spring and the generous central passage prevent the coolant from flowing through the tube.
  • the stroke movement is adapted to the pitch of the coil spring - or vice versa - so that only a small stroke is required for a low pitch.
  • the use of a tube bundle heat exchanger ensures high ice production performance with a compact design.
  • Evaporating refrigerant from a conventional condenser set flows through the jacket space.
  • the tubes of the tube bundle are flowed through by the aqueous phase of the refrigerant.
  • the coolant can consist of pure water or of water with additives of substances which lower the freezing point, as are known from the prior art.
  • Due to the evaporation of the refrigerant an ice crystal layer forms in the tubes due to the heat removal, which is permanently removed by the stripping devices.
  • In each pipe there is one of these stripping devices the outer diameter of which essentially corresponds to the inner pipe diameter.
  • the ice adhering to the inner walls of the tube is stripped off by the movement of the stripping devices along the tube axes.
  • the stripping devices preferably emerge from the inner tubes at the end of the tube bundle and are connected to a common drive plate.
  • the pipes can be made even with a very small diameter. This means that ice generators with inner tube diameters of less than 10 mm can be operated without any problems.
  • the possible reduction of the inner pipe diameter with the present invention compared to the prior art enables higher ice production capacities to be achieved.
  • a higher ice production capacity per construction volume or size can thus be achieved.
  • the reduction of the inner pipe diameter is made possible by the stripping mechanism which narrows the flow cross section only minimally.
  • the design of the stripping mechanism for example by using a helical spring, can be implemented at comparatively low costs.
  • Another advantage of the ice generator according to the invention is that the tubes do not necessarily have to have a circular cross section due to the stripping mechanism according to the invention, but that non-circular, such as angular or oval cross sections can also be provided to increase the surface-volume ratio.
  • the stripping devices are not driven by an external drive, such as an electric motor, but by the pulsating flow of the refrigerant. This takes place via a plate provided in the flow of the coolant, which is mounted such that it can vibrate with respect to the pipe ends and is caused to vibrate by the pulsation of the flow. The vibration movement is transmitted directly to the stripping devices. As a result, the ice crystals are continuously stripped from the pipe wall and discharged with the flow. This technology not only saves a drive unit, but also increases the system's inherent safety, since the scraper mechanism automatically starts and stops with the flow through the ice maker. If the stripping devices are designed to be elastic in the longitudinal direction so that they can carry out natural vibrations, the natural vibrations of these stripping devices reinforce the drive vibrations.
  • a pulsation of the flow for the drive of the stripping devices occurs when a displacement pump is used in the coolant circuit of the cooling network or the refrigeration system is generated automatically. If a centrifugal pump is used in the cooling network, the pulsation can be generated by pipe fittings that alternately release or close the pipe cross-section. These internals can be oscillating or rotating systems. The pipe internals can in turn be driven by the flow itself or from the outside, for example with an electric motor.
  • Figure 1 schematically shows a first example of a
  • Figure 2 schematically shows a second example of a stripping device of the ice generator according to the invention
  • Figure 4 shows an example of an inventive
  • FIG. 1 shows another example of an ice generator according to the invention with a pulsating drive in cross section.
  • FIG. 1 schematically shows an example of the
  • the stripping device has the shape of a cylindrical helical spring, preferably made of a metal, which extends along the tube axis.
  • the diameter of the coil spring corresponds exactly to the inside diameter of the pipe wall in this example.
  • each stripping element of the stripping device 1 is formed by a full turn of the coil spring, so that the full inner circumference of the tube is covered by each individual stripping element. This form of the stripping device leaves the refrigerant enough space to flow through the tube, since it hardly reduces the tube cross-section.
  • the drive for such a stripping device moves it back and forth along the tube axis with a stroke which corresponds at least to the pitch of the helical spring.
  • the lifting movement is indicated in the figure by the arrow. This movement makes everyone in connection with the shape of the scraper
  • the stripping elements of the stripping device 1 are designed as rings 3 which are connected to each other along the tube 2 via connecting elements 4 in the form of thin rods to form a cylindrical ring grid.
  • the rings have the same circumference as the inner wall of the tube 2 and are arranged at equal distances from one another along the tube.
  • the central opening of the rings leaves enough space for the refrigerant so that the tube diameters are not limited by the stripping devices 1 and can be chosen to be very small.
  • the drive stroke corresponds at least to that
  • FIGS. 3a and 3b show a top view of two embodiments for the possible configuration and arrangement of the tubes 2 of the tube bundle heat exchanger in the container 5 for the refrigerant.
  • stripping devices such as those in FIGS. 1 and 2 can also be used, the helical spring (FIG. 1) or the annular stripping elements (FIG. 2) here having an appropriately adapted, not circular, but elliptical cross section.
  • This embodiment is made possible in the present invention in that the stripping devices are not driven in rotation, but axially to the pipe guide. This allows realize any - also angular - pipe cross sections.
  • the oval cross-section of the tubes shown in this example enables an overall larger tube inner surface compared to a circular cross-section and thus a larger ice-making capacity with the same size of the ice-generator.
  • the possibility of freely designing the pipe cross section also allows the flow in the pipes 2 and in the jacket space 6 to be optimized.
  • FIGS 4 and 5 finally show schematically two embodiments of an ice generator, in which the pulsating flow of the refrigerant is used as a drive.
  • the tubes 2 and the scraper elements 1 can of course be designed as in the previous examples.
  • the inlet 7 and the outlet 8 for the refrigerant evaporating in the jacket space 6 and the schematically indicated stripping devices 1 running in the tubes can be seen.
  • the aqueous coolant flows through the tubes 2 in these examples through openings provided at the tube ends from left to right, as indicated by the arrows.
  • the tube bundle heat exchanger is preferably stored in an upright position, with the aqueous phase flowing through it from bottom to top. hereby the ice discharge is supported with the flow by the buoyancy of the ice crystals.
  • the stripping devices 1 emerge from the tubes at one end of the tube bundle and are fastened to a tube plate 9.
  • the tube plate 9 is supported by means of springs 11 such that they can vibrate relative to the tubes 2. If there is a pulsating flow of the aqueous coolant entering the ice generator and the ice exiting the tubes
  • the tube plate 9 is excited by the pulsation of the flow to vibrations, which are transferred to the stripping devices 1.
  • the stroke generated in this way depends on the one hand on the flow properties and on the other hand on the design and the vibration properties of the base plate 9 and can be specifically adjusted by the latter.
  • vibrating coil springs as wiping devices, the wiping effect is further enhanced.
  • the ice crystals scraped off the tube wall in this way are discharged with the flow from the ice generator.
  • the tube sheet plate 9 is provided with bores 10 which are aligned with the outlet openings of the tubes 2.
  • the tube sheet plate 9 can, however, also be provided with non-aligned bores 10, as is shown by way of example in FIG. 5. At this

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Description

EISGENERATOR ZUR ERZEUGUNG EINER WASSRIGEN SUSPENSION AUS EISKRISTALLEN
Die Erfindung betrifft einen Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Eiskristallen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Bereich der Kältetechnik spielt Wasser als Kälteträger aufgrund der günstigen Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit eine große Rolle. Besondere Vorteile bietet hierbei der Einsatz von sogenanntem Ice-slurry, einer wäßrigen Suspension aus kleinen Eiskristallen. Da diese Suspension in fließfähigem Zustand vorliegt, kann Ice-slurry wie eine Flüssigkeit durch Rohrleitungen gepumpt werden. Andererseits weist dieser Kälteträger aufgrund der für die Phasenumwandlung der Eiskristalle zu Wasser erforderlichen Schmelzwärme eine hohe Energiedichte auf. Ice-slurry ist daher ein ideales Medium zum Transport und zur Verteilung von Kälte.
Beispielhafte Anwendungsgebiete dieses Mediums sind die Klimatisierung von Gebäuden, der Einsatz in Nahkältenetzen, die Kühlung von Lagerräumen und die Kühlung von Produktionsprozessen, beispielsweise in Milchwerken.
Für die Verteilung der Kälte auf die jeweiligen zu kühlenden Objekte ist in der Regel ein ausgedehntes Rohrnetz erforderlich. Aufgrund der hohen Energiedichte von Ice-slurry erfordert der Einsatz dieses Mediums als Kälteträger deutlich geringere Rohrdurchmesser der Transportierungen als bei Einsatz von reinem Wasser als Kälteträger. Dies führt zu Einsparungen bei den Baukosten des Kältenetzes. Weiterhin erlauben diese Wasser-Eis-Suspensionen einen sehr gleichmäßigen Kühlprozeß, da die Phasenumwandlung bei einer nahezu konstanten Temperatur erfolgt.
Die zur Kühlung eingesetzten Kühl- bzw. Kälteanlagen bestehen hauptsächlich aus dem Eisgenerator bzw. Eiserzeuger, einem Eisspeicherbehälter , einem
Rührer, Umwälzpumpen sowie den zur Kälteübertragung auf die zu kühlenden Objekte erforderlichen Wärmetauschern verschiedenster Bauart.
Im Stand der Technik sind derzeit unterschiedliche Konzepte zur Erzeugung von Ice-slurry bekannt.
So werden bei großen Kälteanlagen häufig Vakuumeiserzeuger eingesetzt, die am Tripelpunkt des Wassers arbeiten. Das zu kühlende bzw. das zu einer Wasser-Eis- Suspension zu transformierende Wasser wird in Vakuumeiserzeugern auf den dort herrschenden Druck des Tripelpunktes entspannt. Durch die Expansion verdampft ein Teil des Wassers und entzieht dem System Wärme. Hierdurch bilden sich in der Wasserphase feinverteilte Eiskristalle.
Aufgrund der hohen Bereitstellungskosten dieser Systeme werden sie allerdings nur in Anlagen eingesetzt, die große Kälteleistungen erfordern. Ein weiterer Nachteil der Vakuumeiserzeuger besteht darin, daß die Temperatur der Wasser-Eis-Suspension in der Nähe des Tripelpunktes von Wasser liegen muß. Suspensionen mit tieferen Temperaturen von beispielsweise -10°C können bisher nicht bereitgestellt werden. Bei einem weiteren bekannten Konzept, das unter dem Begriff "Supercooler" eingeführt ist, wird das Wasser langsam unterkühlt und die Eiskristallbildung im Verdampfer zunächst durch eine möglichst gleichmäßige, ungestörte Strömung unterdrückt. In einem in Strömungsrichtung folgenden turbulenten Bereich kristallisiert dann das Eis - vergleichbar dem Kristallisationsprozeß beim Vakuumeiserzeuger - in der Wasserphase aus. Ein Nachteil dieses Systems besteht allerdings darin, daß durch die nur begrenzt mögliche Unterkühlung pro Strömungsvolumen des Systems nur eine geringe Menge an Eiskristallen gebildet werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht von einem weiteren bekannten Verfahren zur Erzeugung von Ice-slurry aus, dessen Eisgeneratoren mit dem Oberbegriff Eiskratzer umschrieben werden können. Eiskratzer bestehen in der Regel aus einem Wärmetauscher, der auf der einen Seite von verdampfendem Kältemittel und auf der anderen Seite von Wasser oder einem wäßrigen Medium als Kälteträger durchströmt wird. Auf der Wärmetauscherflache bilden sich aufgrund des Wärmeentzugs durch das verdampfende Kältemittel Eiskristalle, die durch einen Kratz- bzw. Abstreifmechanismus von der Wärmetauscherwandung entfernt werden. Hierbei reichern sich die Eiskristalle im Wasser bzw. wäßrigen Medium an und fließen mit diesem aus dem Eiserzeuger. Der Abstreifmechanismus kann beispielsweise durch starre Kratzer oder flexible Wischer realisiert werden. Die Abstreifmechanismen werden von außen, beispielsweise durch einen Elektromotor, angetrieben. Ein Vorteil der Eiskratzer liegt vor allem in ihrer Störungsunempfindlichkeit und den flexiblen Einsatzmöglichkeiten .
Eiskratzer sind im wesentlichen in zwei Bauformen bekannt. Eine dieser Bauformen basiert auf einem Doppelrohr-Wärmetauscher. Das flüssige Kältemittel wird im Ringspalt zwischen den beiden Rohren verdampft. Durch das Innenrohr wird die wäßrige Flüssigkeit gepumpt, die an der gekühlten Oberfläche einfriert und dort Eiskristalle bildet. Bevor sich eine feste Eisschicht bilden kann, werden die Eiskristalle von im Innenrohr angeordneten rotierenden Schabern entfernt und bilden mit der durchströmenden wäßrigen Flüssigkeit eine wäßrige Suspension. Die rotierenden Schaber werden mit einem Elektromotor angetrieben.
Ein Beispiel für eine derartige Bauform eines Eiskratzers ist der DE 19707635 AI zu entnehmen. Bei dieser Ausgestaltung werden die Eiskristalle von der Innenwandung des zentralen Rohres mit Hilfe einer Förderschnecke, die als archimedische Schraube ausgebildet ist, abgeschabt.
Die GB 2 232 469 beschreibt eine Eismaschine in Form eines Doppelrohr-Containers, bei der im inneren zylinderförmigen Volumen das wässrige Medium und in der äußeren Ummantelung das Kältemittel vorgesehen sind. Das Eis wird hierbei von der Innenwandung mit Hilfe einer entlang der Achse angeordneten rotierenden Rotoranordnung mit seitlichen Eisschabern abgekratzt. Der Rotor hat jedoch einen erheblichen Raumbedarf.
Da die Eiserzeugungsleistung eines Eiskratzers jedoch näherungsweise linear von der Wärmetauscher- fläche abhängt, ist die mit dem Doppelrohr-Wärme- tauscher erzielbare Kälteleistung für viele Einsatz- bereiche zu gering.
Größere Leistungen lassen sich nur entweder durch Parallelschaltung mehrerer dieser Doppelrohr-Wärme- tauscher oder durch Vergrößerung des Rohrdurchmessers erreichen. Eine Vervierfachung des Rohrdurchmessers erhöht jedoch die Wärmetauscherfläche nur um den Faktor 4, während gleichzeitig das Volumen um den Faktor 16 steigt. Dies führt zu einer Baugröße, die für den praktischen Einsatz nicht geeignet ist. Die Parallelschaltung mehrerer Doppelrohr-Wärmetauscher ist aufgrund der Kosten der einzelnen Doppelrohr-Wärmetauscher aus wirtschaftlichen Gründen zumeist uninteressant.
Zur Erzeugung höherer Kälteleistungen bei akzeptabler Baugröße werden daher in der Regel Rohrbündel- Wärmetauscher bzw. -Verdampfer eingesetzt, wie sie beispielsweise in H.L. von Cube et al . , "Lehrbuch der Kältetechnik", Bd. 1, 4. Aufl., Müller Verlag Heidelberg, S. 298-300, beschrieben sind. Diese bestehen aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Rohren für den wäßrigen Kälteträger, die in einem Behältnis für das Kältemittel verlaufen. Bei einem senkrechten Rohrbündelverdampfer wird die wäßrige Flüssigkeit am oberen Rohrboden eingespeist und bildet an den Rohrinnenseiten einen Fallfilm. In den Mantelraum, d.h. den Zwischenraum zwischen den Rohren und der Behältniswand, wird ein Kältemittel eingebracht, das dort verdampft, so daß sich an den Rohrinnenseiten aufgrund des Wärmeentzugs durch den Verdampfungsprozeß Eiskristalle niederschlagen. In den Rohren hängen metallische Stäbe, die über Exzenterplatten so bewegt werden, daß sie die Rohrinnenseiten permanent umlaufend berühren und die Eiskristalle dabei abschlagen. Diese Schleuderstangen bzw. die mit ihnen verbundenen Exzenterplatten werden durch einen gemeinsamen Elektromotor angetrieben.
Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher haben den Vorteil einer im Vergleich zu Doppelrohr-Wärmetauschern deutlich größeren Wärmetauscherfläche bei kompakter Baugröße. Die Schleuderstangen müssen aufgrund des Funktionsprinzips allerdings einigermaßen massiv ausgeführt sein und benötigen durch ihren exzentrischen Antrieb zusätzlichen Raum, so daß ein bestimmter Mindestdurchmesser der Rohre nicht unterschritten werden kann. Dies verhindert den Einsatz sehr kleiner und damit hinsichtlich der Eiserzeugungsleistung effektiver Innenrohre, so daß die auf das Apparatevolumen bezogene Leistung derartiger Eiserzeuger nicht erhöht werden kann .
Die GB 2 285 500 offenbart einen Eisgenerator, der einen Wärmetauscher mit mehreren in einem Behältnis angeordneten Rohren aufweist. Bei diesem Eisgenerator befindet sich der wässrige Kälteträger im Behältnis, während das Kältemittel durch die Rohre fließt. Durch diese Betriebsweise setzen sich die Eiskristalle an den Außenwandungen der Rohre nieder. Zum Abstreifen der Eiskristalle wird eine plattenförmig ausgebildete Abstreifeinrichtung, die Öffnungen für die Rohre aufweist, mit einer wiederkehrenden Hubbewegung beauf- schlagt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Eiskristallen bereitzustellen, der eine hohe Leistung pro Bauvolumen ermöglicht. Der Eisgenerator soll weiterhin einfach und kostengünstig realisierbar sein.
Die Aufgabe wird mit dem Eisgenerator nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Eisgenerators sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Eisgenerator besteht aus einem Wärmetauscher, vorzugsweise in der Bauform eines Rohrbündel-Wärmetauschers , mit mehreren Rohren für einen wäßrigen Kälteträger, die annähernd geradlinig nebeneinander in einem Behältnis für ein Kältemittel verlaufen. Weiterhin ist ein Mechanismus zum Entfernen von an Innenwandungen der Rohre niedergeschlagenem Eis vorgesehen. Der Mechanismus umfaßt in den Rohren verlaufende Abstreifeinrichtungen sowie einen Antrieb für die Abstreifeinrichtungen. Die Abstreifeinrichtungen sind erfindungsgemäß aus entlang der Rohrachsen miteinander verbundenen Abstreifelementen gebildet, deren Umfang im wesentlichen dem Innenumfang der Rohre entspricht, und die einen zentralen Durchlaß für den Kälteträger aufweisen, so daß sie den Durchfluß des Kälteträgers durch die Rohre nur geringfügig behindern. Die Abstreifeinrichtungen sind mit dem Antrieb verbunden, der diese zur wiederkehrenden Hubbewegung entlang der Rohrachsen antreibt.
Die Abstreifelemente sind hierbei so ausgebildet, daß sie bei Bewegung entlang der Rohrachsen mit ihren äußeren Begrenzungen an der Innenwandung der Rohre gebildetes Eis abstreifen. Hierfür ist es erforderlich, daß der Durchmesser der Abstreifelemente in der Ebene senkrecht zur Rohrachse im wesentlichen dem Durchmesser der Rohre entspricht. Selbstverständlich muß diese Bedingung nicht exakt eingehalten werden. Es können vielmehr kleine Zwischenräume zwischen den Abstreifelementen und der Rohrinnenwandung bestehen, solange der Funktion des Abstreifens von Eiskristallen noch erfüllt wird. Die Anpassung des Umfangs der Abstreifelemente an den Innenumfang der Rohre bedeutet hierbei, daß die Abstreifelemente bei Draufsicht in Richtung der Rohrachse die Umfangsform des Innenrohres aufweisen. Die Abstreifelemente weisen weiterhin einen großzügigen Durchlaß für den Kälteträger auf, damit dieser nahezu ungehindert durch das Rohr strömen kann. Es versteht sich von selbst, daß die durch den
Antrieb erzeugte Hubbewegung einen ausreichend großen Hub erzeugen muß, damit ein Zwischenraum zwischen einzelnen Abstreifelementen der Abstreifeinrichtungen durch die Hubbewegung überstrichen wird. Die Abstreifelemente können hierbei entlang der Rohrachse unterschiedliche gegenseitige Abstände zueinander aufweisen, sind jedoch vorzugsweise in gleichen Abständen zueinander angeordnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die Abstreifeinrichtungen die Form einer Schraubenfeder auf, wobei eine Windung der Schraubenfeder einem Abstreifelement entspricht.
Das Material der Schraubenfeder kann dabei derart starr sein, daß diese keine Elastizität entlang der
Rohrachse aufweist. Die Schraubenfeder kann jedoch auch elastisch ausgebildet sein, so daß die Abstreifeinrich- tung während der Hubbewegung eine Eigenschwingung ausführt .
Eine derartig in Form einer Schraubenfeder ausgestaltete Abstreifeinrichtung hat insbesondere den Vorteil der einfachen Herstellbarkeit und der optimalen Beaufschlagung der Rohrinnenwandüng bei geringem Platzbedarf . Durch das geringe Materialvolumen der Schraubenfeder und den großzügigen zentralen Durchlaß wird das Durchströmen des Kälteträgers durch das Rohr nicht behindert. Die Hubbewegung wird hierbei an die Ganghöhe der Schraubenfeder angepaßt - oder umgekehrt -, so daß bei geringer Ganghöhe auch nur ein geringer Hub erforderlich ist.
Der Einsatz eines Rohrbündel-Wärmetauschers gewährleistet eine hohe Eiserzeugungsleistung bei kompakter Bauform. Der Mantelraum wird von verdampfendem Kältemittel aus einem konventionellen Verflüssigersatz durchströmt. Die Rohre des Rohrbündels werden von der wäßrigen Phase des Kälteträgers durchströmt. Der Kälteträger kann hierbei aus reinem Wasser oder aus Wasser mit Zusätzen von den Gefrierpunkt erniedrigenden Stoffen bestehen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Durch das verdampfende Kältemittel bildet sich in den Rohren durch den Wärmeentzug eine Eiskristallschicht, die permanent durch die Abstreif- einrichtungen entfernt wird. In jedem Rohr befindet sich eine dieser Abstreifeinrichtungen, deren Außen- durchmesser im wesentlichen dem Rohrinnendurchmesser entspricht. Durch die Bewegung der Abstreifeinrichtungen längs der Rohrachsen wird das an den Rohrinnenwandungen haftende Eis abgestreift. Die Abstreifeinrichtungen treten vorzugsweise am Ende des Rohrbündels aus den Innenrohren heraus und sind mit einer gemeinsamen Antriebsplatte verbunden.
Durch die besondere Ausgestaltung der Abstreif- einrichtungen in Verbindung mit dem Antrieb, der eine wiederkehrende Hubbewegung der Abstreifeinrichtungen entlang der Rohrachsen erzeugt, können die Rohre selbst mit sehr geringem Durchmesser ausgeführt werden. So lassen sich ohne Probleme Eisgeneratoren mit Rohrinnendurchmessern von weniger als 10 mm betreiben.
An die Stabilität der Abstreifeinrichtungen werden keine hohen Anforderungen gestellt. Diese können entlang der Rohrachsen auch elastisch ausgeführt sein. Hierbei ist es lediglich notwendig, daß die Abstreif- elemente mit ihrem äußeren Umfang die Rohrinnenwandung berühren bzw. nahezu berühren. Der gesamte Zwischenraum zwischen den äußeren Begrenzungen der Abstreifelemente steht für den Durchlaß des Kälteträgers zur Verfügung.
Durch die mit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik mögliche Verkleinerung der Rohrinnendurchmesser lassen sich höhere Eiserzeugungsleistungen realisieren. Mit dem erfindungsgemäßen Eisgenerator kann somit eine höhere Eiserzeugungsleistung pro Bauvolumen bzw. Baugröße erreicht werden. Die Verringerung der Rohrinnendurchmesser wird durch den erfindungsgemäßen den Strömungsquerschnitt nur minimal verengenden Abstreifmechanismus ermöglicht. Die Ausgestaltung des Abstreifmechanismus , beispielsweise durch Einsatz einer Schraubenfeder, läßt sich mit vergleichsweise geringen Kosten realisieren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Eisgenerators besteht darin, daß die Rohre aufgrund des erfindungsgemäßen Abstreifmechanismus nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen, sondern daß zur Erhöhung des Oberflächen-Volumen- Verhältnisses auch nicht-kreisförmige, wie eckige oder ovale Querschnitte vorgesehen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Abstreifeinrichtungen nicht von einem äußeren Antrieb, wie beispielsweise einem Elektromotor, sondern durch die pulsierende Strömung des Kälteträgers angetrieben. Dies erfolgt über eine in der Strömung des Kälteträgers vorgesehene Platte, die gegenüber den Rohrenden schwin- gungsfähig gelagert ist und durch die Pulsation der Strömung in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungsbewegung wird direkt auf die Abstreifeinrichtungen übertragen. Hierdurch werden die Eiskristalle kontinuierlich von der Rohrwand abgestreift und mit der Strömung ausgetragen. Diese Technik spart nicht nur ein Antriebsaggregat ein, sondern erhöht auch die systeminhärente Sicherheit, da der Abstreifmechanismus automatisch mit der Durchströmung des Eiserzeugers ein- bzw. aussetzt. Werden die Abstreifeinrichtungen hierbei in Längsrichtung elastisch ausgestaltet, so daß sie Eigenschwingungen ausführen können, so treten die Eigenschwingungen dieser Abstreifeinrichtungen verstärkend zu den AntriebsSchwingungen hinzu.
Eine Pulsation der Strömung für den Antrieb der Abstreifeinrichtungen wird bei Einsatz einer Verdrängungspumpe im Kälteträgerkreislauf des Kältenetzes oder der Kälteanlage automatisch erzeugt. Sollte im Kältenetz eine Kreiselpumpe eingesetzt sein, so kann die Pulsation durch Rohreinbauten erzeugt werden, die den Rohrquerschnitt alternierend freigeben oder ver- schließen. Diese Einbauten können pendelnde oder rotierende Systeme sein. Der Antrieb der Rohreinbauten kann wiederum durch die Strömung selbst oder von außen, z.B. mit einem Elektromotor, erfolgen.
Es versteht sich jedoch von selbst, daß statt des oben beschriebenen Pulsationsantriebs der Abstreifein- richtungen auch ein entsprechender Mechanismus mit einem äußeren Antrieb, wie einem Elektromotor, vorgesehen sein kann.
Der erfindungsgemäße Eisgenerator wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 schematisch ein erstes Beispiel für eine
Abstreifeinrichtung des erfindungsgemäßen Eisgenerators ;
Figur 2 schematisch ein zweites Beispiel für eine Abstreifeinrichtung des erfindungsgemäßen Eisgenerators;
Figur 3a/b zwei Beispiele für die mögliche Rohrquerschnitte des Eisgenerators;
Figur 4 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Eisgenerator mit einem pulsierenden Antrieb im Querschnitt; und Figur 5 ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen Eisgenerator mit einem pulsierenden Antrieb im Querschnitt.
Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel für die
Ausgestaltung einer Abstreifeinrichtung 1 in einem Rohr 2 des Rohrbündel-Wärmetauschers . Die Abstreifeinrichtung weist in diesem Beispiel die Form einer zylindrischen Schraubenfeder, vorzugsweise aus einem Metall, auf, die sich entlang der Rohrachse erstreckt. Der Durchmesser der Schraubenfeder entspricht in diesem Beispiel exakt dem Innendurchmesser der Rohrwandung. Hierbei wird jedes Abstreifelement der Abstreifeinrichtung 1 durch eine volle Windung der Schraubenfeder gebildet, so daß von jedem einzelnen Abstreifelement der volle Innenumfang des Rohres abgedeckt wird. Diese Form der Abstreifeinrichtung läßt dem Kälteträger ausreichend Raum zum Durchströmen des Rohres, da sie den Rohrquerschnitt kaum verringert. Der Antrieb für eine derartige Abstreifeinrichtung bewegt diese entlang der Rohrachse mit einem Hub hin und her, der zumindest der Ganghöhe der Schraubenfeder entspricht. Die Hubbewegung ist in der Figur durch den Pfeil angedeutet. Durch diese Bewegung wird in Verbin- düng mit der Form der Abstreifeinrichtung jeder
Flächenbereich auf der Innenwandung des Rohres mit einer Hubbewegung erfaßt. Die Eiskristalle können entsprechend effizient abgeschabt bzw. abgekratzt werden.
Ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung der Abstreifeinrichtungen ist in Figur 2 schematisch gezeigt. In diesem Beispiel sind die Abstreifelemente der Abstreifeinrichtung 1 als Ringe 3 ausgebildet, die entlang des Rohres 2 über Verbindungselemente 4 in Form von dünnen Stangen zu einem zylindrischen Ringgitter miteinander verbunden sind. Die Ringe weisen den gleichen Umfang wie die Innenwandung des Rohres 2 auf und sind in gleichen Abständen zueinander entlang des Rohres angeordnet. Die zentrale Öffnung der Ringe läßt dem Kälteträger genügend Freiraum, so daß die Rohrdurchmesser durch die Abstreifeinrichtungen 1 nicht begrenzt sind und sehr klein gewählt werden können. Der Antriebshub entspricht in diesem Fall zumindest dem
Abstand der Abstreifelemente damit auch in diesem Fall mit jedem Hub die gesamte Innenfläche des Rohres abgeschabt werden kann.
In den Figuren 3a und 3b sind in Draufsicht zwei Ausführungsformen für die mögliche Ausgestaltung und Anordnung der Rohre 2 des Rohrbündel-Wärmetauschers im Behältnis 5 für das Kältemittel dargestellt.
Während in Figur 3a die übliche Ausgestaltung mit kreisrunden Rohrquerschnitten gezeigt ist, umfaßt die
Ausgestaltung der Figur 3b Rohre 2 mit elliptischen bzw. ovalen Querschnitten. Bei einer derartigen Ausgestaltung lassen sich ebenfalls Abstreifeinrichtungen wie die der Figuren 1 und 2 einsetzen, wobei die Schraubenfeder (Fig. 1) bzw. die ringförmigen Abstreifelemente (Fig. 2) hier einen entsprechend angepaßten nicht kreisförmigen, sondern elliptischen Querschnitt aufweisen würden.
Diese Ausführungsform wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch ermöglicht, daß die Abstreif- einrichtungen nicht rotierend, sondern axial zur Rohrführung angetrieben werden. Hierdurch lassen sich beliebige - auch eckige - Rohrinnenquerschnitte realisieren.
Der in diesem Beispiel dargestellte ovale Querschnitt der Rohre ermöglicht gegenüber einem kreis- runden Querschnitt eine insgesamt größere Rohrinnenoberfläche und somit eine größere Eiserzeugerleistung bei gleicher Baugröße des Eisgenerators. Durch die Möglichkeit der freien Gestaltung des Rohrquerschnittes läßt sich auch die Strömung in den Rohren 2 und im Mantelraum 6 optimieren.
Die Figuren 4 und 5 zeigen schließlich schematisch zwei Ausführungsformen eines Eisgenerators, bei denen die pulsierende Strömung des Kälteträgers als Antrieb genutzt wird. Bei beiden Ausführungsformen lassen sich selbstverständlich die Rohre 2 sowie die Abstreifele- mente 1 wie bei den vorhergehenden Beispielen ausgestalten.
Beide Ausführungsformen weisen einen Rohrbündel-
Wärmetauscher mit einem Behältnis 5 auf, in dem mehrere Rohre 2 parallel zueinander angeordnet sind. In beiden Figuren sind der Zulauf 7 und der Ablauf 8 für das im Mantelraum 6 verdampfende Kältemittel sowie die in den Rohren verlaufenden schematisch angedeuteten Abstreif- einrichtungen 1 zu erkennen. Der wäßrige Kälteträger durchströmt die Rohre 2 in diesen Beispielen durch entsprechend vorgesehene Öffnungen an den Rohrenden von links nach rechts, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Vorzugsweise ist der Rohrbündel-Wärmetauscher jedoch stehend gelagert, wobei er von der wäßrigen Phase von unten nach oben durchströmt wird. Hierdurch wird der Eisaustrag mit der Strömung durch die Auftriebskraft der Eiskristalle unterstützt.
Die Abstreifeinrichtungen 1 treten an einem Ende des Rohrbündels aus den Rohren heraus und sind an einer Rohrbodenplatte 9 befestigt. Die Rohrbodenplatte 9 ist mittels Federn 11 gegenüber den Rohren 2 schwingungsfähig gelagert. Bei Vorliegen einer pulsierenden Strömung des in den Eisgenerator eintretenden wäßrigen Kälteträgers und der aus den Rohren austretenden Eis-
Wasser-Suspension (Ice-slurry) wird die Rohrbodenplatte 9 durch die Pulsation der Strömung zu Schwingungen angeregt, die sich auf die Abstreifeinrichtungen 1 übertragen. Der hierdurch erzeugte Hub hängt einerseits von den Strömungseigenschaften und andererseits von der Ausgestaltung und den Schwingungseigenschaften der Bodenplatte 9 ab und läßt sich durch letztere gezielt einstellen. Bei Einsatz von schwingungsfähigen Schraubenfedern als Abstreifeinrichtungen wird der Abstreifeffekt zusätzlich verstärkt.
Die auf diese Weise von der Rohrwand abgeschabten Eiskristalle werden mit der Strömung aus dem Eisgenerator ausgetragen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist die Rohrbodenplatte 9 mit Bohrungen 10 versehen, die mit den Austrittsöffnungen der Rohre 2 fluchten.
Die Rohrbodenplatte 9 kann jedoch auch mit nicht- fluchtenden Bohrungen 10 versehen sein, wie dies in Figur 5 beispielhaft dargestellt ist. Bei dieser
Ausgestaltung erhöht die erzwungene Strömungsumlenkung den Druck auf die Bodenplatte 9, so daß die Kraft auf die Abstreifeinrichtungen 1 erhöht wird. o LD O LD

Claims

Patentansprüche
1. Eisgenerator zur Erzeugung einer wäßrigen Suspension aus Eiskristallen mit einem Wärmetauscher mit mehreren Rohren (2) für einen wäßrigen Kälteträger, die annähernd geradlinig nebeneinander in einem Behältnis (5) für ein Kältemittel verlaufen, und einem Mechanismus zum Entfernen von an Innenwandungen der Rohre (2) niedergeschlagenem Eis, wobei der Mechanismus Abstreifeinrichtungen (1) in den Rohren (2) und einen Antrieb für die Abstreifeinrichtungen (1) umfaßt und die Abstreifeinrichtungen (1) aus entlang der Rohrachsen miteinander verbundenen Abstreif- elementen gebildet sind, deren Umfang im wesentlichen dem Innenumfang der Rohre (2) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifeinrichtungen (1) einen zentralen Durchlaß für den Kälteträger aufweisen und der Antrieb (9) zur wiederkehrenden Hubbewegung der Abstreif- einrichtungen (1) entlang der Rohrachsen ausgestaltet ist .
2. Eisgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifeinrichtungen (1) die Form einer Schraubenfeder aufweisen, wobei eine Windung der Schraubenfeder einem Abstreifelement entspricht.
3. Eisgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifelemente (1) in gleichem gegenseitigen Abstand entlang der Rohrachsen angeordnet sind.
4. Eisgenerator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifelemente (1) die Form von Ringen (3) oder Scheiben aufweisen, die durch eine oder mehrere entlang der Rohrachsen verlaufende Verbindungselemente (4) miteinander verbunden sind.
5. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifeinrichtungen (1) elastisch entlang der Rohrachsen ausgebildet sind.
6. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) einen elliptischen Innenumfang aufweisen.
7. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zur Erzeugung einer periodischen Hubbewegung ausgestaltet ist.
8. Eisgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Platte (9) umfaßt, an der die Abstreifeinrichtungen (1) befestigt sind, wobei die Platte (9) derart an einem Ende der Rohre (2) angeordnet und gegenüber den Rohren schwingungsfähig gelagert ist, daß sie durch eine pulsierende Strömung des in die Rohre eintretenden oder aus den Rohren austretenden Kälteträgers zur Erzeugung der Hubbewegung in Schwingungen versetzt wird.
9. Eisgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (9) Öffnungen (10) für den Durchtritt des Kälteträgers aufweist.
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