Verfahren und Vorrichtung zur Eisherstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eisherstellung, insbesondere für Bauzwecke, wobei eine Eismaschine mit einer Wärmepumpe mit einem Ammoniakkreislauf erhöht angeordnet ist, deren Kondensator luft- und sprühwassergekühlt ist und deren Verdampfer laufend Wasser zugeführt wird, das zu Eis gefroren in einen tiefergelegenen Eiscontainer fällt.
Derartige Vorrichtungen sind insbesondere in warmen Klimazonen für Bauzwecke mit großer Eisleistung im Einsatz, da dort Beton überwiegend mit Eis statt mit Wasser angemischt wird, damit er langsam abbindet und so die geforderte Dichte und Festigkeit erlangt. Um den Tagesbedarf an Eis zu decken, der zur Tageszeit sporadisch auftritt, ist die in einer oberen Etage angeordnete Eismaschine oft Tag und Nacht in Betrieb, deren Eis im Container in einer unteren Etage zwischengelagert wird. Der Nachtbetrieb ist ökonomischer, da die Kühlluft des Kondensators dann eine wesentlich geringere Temperatur als am Tage hat. Die bekannten Vorrichtungen weisen einen Froster auf, der mit ca. -220C Verdampfungstemperatur betrieben wird, so daß eingesprühtes Wasser unmittelbar zu Eis gefriert, das auf ca. -70C unterkühlt körnig in den Container fällt. Die niedrige Frostertemperatur führt zu einem geringen Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Außerdem neigen die unterkühlten Eiskörner zum Verklumpen, da Luftfeuchte aus der Umgebung an ihnen kondensiert und anfriert, wodurch die Körner zusammenwachsen. Deshalb ist die Ausfördervorrichtung ein oben auf dem Eisvorrat liegendes Kratzförderband, das jedoch
eine am höchsten verdichtete Bodeneisschicht zurückläßt, die nach und nach anwächst und periodisch sehr aufwendig herausgehackt werden muß.
Weiterhin sind Eismaschinen bekannt, die in der Nahrungsmittelindustrie zum Einsatz kommen, deren Platten-Verdampfer mit ca. -110C betrieben wird, wodurch sich nasses Eis aus in gleichbleibender Dosierung von oben zugeführtem Rieselwasser bildet. Dieses wird in kurzen Abständen mit einem in den Verdampfer eingeblasenen Kühlmittel-Dampfstoß von der Verdampferoberfläche abgetaut, so daß es sich scherbenförmig ablöst und nach dem Rutschen über eine schräg angeordnete Siebplatte in einen Eiscontainer fällt.
Es ist Aufgaben der Erfindung, die eingangs bezeichnete Vorrichtung zur Eisherstellung für Bauzwecke bezüglich des Wirkungsgrades und deren Nutzbarkeit zu verbessern und ein ganz allgemein anwendbares effektives Verfahren zur Eisherstellung zu offenbaren.
Die Lösung besteht darin, daß der Verdampfer mit etwa -110C betrieben wird und das daran aus Rieselwasser entstehende Eis, durch periodische Kühlmittel-Dampfstoße abgelöst, feucht in den Eiscontainer fällt, dessen Ausfördervorrichtung bodenseitig darin angeordnet ist.
Ein verbessertes Verfahren erbringt durch eine im Vergleich zu den Eisbildungsphasen jeweils erhöhte Aufbringung von Rieselwasser während der Enteisungszeiten ein beschleunigtes Enteisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die relativ zur vorbekannten Vorrichtung erheblich höhere Verdampfertemperatur erbringt einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Weiterhin bleiben die feuchten
Eisbrocken, deren Temperatur bei ca. -3°C liegt, ständig gleitfähig, wodurch es möglich ist, den Ausförderer unten im Eiscontainer anzuordnen, so daß der gesamte Speicherraum und Eisvorrat ständig verfügbar ist und ein Ausbrechen von geblocktem Eis entfällt.
Einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades wird durch die Nutzung der Erkenntnis erreicht, daß das durch die Sprühwasserverdunstung im Luftstrom des Kondensators anfallende unverdunstete Wasser eine Abkühlung von ca. 1O0C erfährt. Dieses somit vorgekühlte Wasser wird dem Verdampfer als Rieselwasser zugeführt, so daß dessen Eisbildungsleistung erhöht ist.
Weiterhin ist vorteilhaft mindestens ein Wassertank in der unteren Etage angeordnet, in den immer dann, wenn z. B. im Bauwesen ein für einen kommenden Betoniervorgang ausreichender Eisvorrat im Eiscontainer angelegt ist, mit dem Verdampfer gekühltes Rieselwasser erzeugt wird, wobei er mit einer Verdampfertemperatur von ca. -3°C betrieben wird. Diese Wasserkühlung geschieht dadurch bei einem vergleichsweise sehr hohen Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Das in einer Stufe auf ca. 1°C gekühlte und anschließend gespeicherte Wasser dient ebenso wie das getrennt gespeicherte Eis zum Anmischen von Beton, so daß weniger Eis verbraucht wird.
Durch die Umsteuerung des Betriebsdrucks und damit der Verdampfungstemperatur wird die gleiche Kühlanlage für die Eis- und für die Kühlwasserproduktion genutzt; eine separate Wasserkühlvorrichtung entfällt.
Insgesamt führen allein diese Maßnahmen in der neuen Vorrichtung durchschnittlich zu einer Energieeinsparung von ca. 30%, wenn die Tagestemperatur um 500C liegt.
Vorteilhaft ist die Gesamtvorrichtung modular in einer Container-Blockbauweise erstellt, so daß einzelne Eismaschinencontainer, Eiscontainer und Kühlwassercontainer
jeweils ergänzt oder ausgetauscht werden können. Beispielsweise liegen in der unteren Etage eines Gestelles ein Eiscontainer und beliebig viele Wassercontainer. In der oberen Etage sind auf Stützen quer zu den unteren Containern maximal vier der Eismaschinencontainer angeordnet, wobei jeweils der Verdampfer über dem Eiscontainer steht. Auf diese Weise kann die Gesamtleistung der jeweiligen Baustellenanforderung und den klimatischen Bedingungen entsprechend durch die Auswahl einer unterschiedlichen Anzahl und Art der Module optimal angepasst werden. Eine Verlagerung zu anderen Baustellen, auch einzelner Module, ist problemlos möglich, da nur wenige Anschlüsse, nämlich für Wasser, für Steuerkabel und für Strom, an diese vorzunehmen sind. Die Fertigung der Container erfolgt werksseitig, so daß eine Baustelle ohne individuelle Vorplanung ausgerüstet werden kann.
Ausförderseitig fällt das Eis in einen zyklisch arbeitenden Querförderer, so daß auch dort keine Anschlußarbeiten notwendig sind. Das Vorhandensein mehrerer Aggregate erhöht nicht nur die verfügbare Gesamtleistung, sondern auch die Verfügbarkeit im Falle von Wartungs- oder Reparaturarbeiten.
An den zyklisch arbeitenden Querförderer schließt sich vorteilhaft ein Schrägförderer an, der in eine Eiswaage mündet, die aus einem vertikalen Vorratsbehälter mit einer bodenseitigen Schleuse besteht unter der das dosierte Eis gleichmäßig auf ein Förderband beispielsweise einer externen Betonanlage verteilt wird.
Vorteilhaft sind Teile der Eismaschine redundant ausgebildet. So sind je zwei Lüfter-Kondensatoraggregate und zwei Verdampfer- Eiserzeuger nebeneinander angeordnet und durch eigene Kühlmittelleitungen verbunden, die jedoch an einen Kompressor und an einen Kondensatsammler jeweils gemeinsam angeschlossen sind. Bei Störungen an einem Doppelaggregat kann der Betrieb mit reduzierter Leistung mit nur einem Aggregat weiterlaufen.
Eine weitere erhebliche Energieeinsparung von ca. 10% erbringt ein neuartiges Steuerverfahren der Berieselung des Verdampfers, wobei während der Eisbildungsphasen die Berieselungsmenge mit einem geringen Überschuß zur gebildeten Eismenge erfolgt, so daß die vom Verdampfer gelieferte Kühlenergie nur zu einem geringen Teil vom abfließenden Rieselwasser in einen rezirkulierenden Rieselwasservorrat übernommen wird, und wobei die Enteisungs- Berieselungsmenge wesentlich erhöht wird, wodurch eine erheblich schnellere Ablösung der Eisscherben von der Verdampferoberfläche eintritt und dementsprechend die Dampfeinbringung in dem Verdampfer abgekürzt wird und die nächste Eisbildungsphase eher begonnen wird.
Es hat sich gezeigt, daß die erhöhte Enteisungs-Berieselung zu einem schnellen Auftauen des Eises im Auftreffbereich der Wasserfäden führt, so daß das Wasser sich alsbald keilartig zwischen der Verdampferoberfläche und der Eisscherbe ausbreitet und diese schnell als Ganzes zum herabgleiten bringt. Die gesamte Periode des Vereisens und des Enteisens verkürzt sich dadurch um 5 - 10%, was eine Wirkungsgradsteigerung von etwa 10% erbringt.
Eine besonders einfache Art der Steuerung der
Rieselgeschwindigkeit läßt sich auch durch eine Nachrüstung von Eismaschinen, wie sie bereits in der Nahrungsmittelindustrie im Einsatz sind, einrichten, indem der Pegel des Rieselwasservorrats in einer obenliegenden Rieselwanne auf verschiedene Niveaus eingestellt wird, so daß es mit dementsprechender Geschwindigkeit aus den bodenseitigen Durchtrittsöffnungen abläuft und oben auf die Verdampferplatten bzw. bereits gebildetes Eis auftritt und sich dort verteilt.
Vorteilhaft wird zur Niveauveränderung des Rieselwasservorrats die Wasserumlaufpumpe während der Enteisungsphase oder zeitlich etwas vorlaufend dazu mit erhöhter, z. B. doppelter Geschwindigkeit betrieben und dadurch zusätzlich Rieselwasser aus der Wassersammelwanne in die Rieselwanne verbracht.
Zur genauen Einhaltung der beiden Niveaus dienen vorteilhaft in einfacher Ausgestaltung der Steuervorrichtung Überläufe in entsprechender Höhe an der Rieselwanne, die in die Wassersammelwanne zurückführen und von denen der untere durch ein Ventil während der Abtauphase gesperrt wird. Ein verzögertes Öffnen des Ventils und demnach langsames Absinken des Niveaus zu Beginn der Vereisungsphase trägt der sinkenden
Eisbildungsgeschwindigkeit bei wachsender Eisdicke Rechnung, so daß die angelieferte Kälteenergie optimal zur Eisbildung genutzt wird.
Die Berieselungsgeschwindigkeit steuert in einer anderen Ausgestaltung eine Steuervorrichtung mit einem Niveausensor, einem Eisdickenmesser und einer frequenzgesteuerten Wasserumlaufpumpe, womit das Niveau jeweils der Eisbildungsrate laufend angepaßt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Figuren 1 bis 7 dargestellt .
Figur 1 zeigt eine transparente Perspektivansicht einer Gesamtanlage mit Mehrfachmodulen;
Figur 2 zeigt eine Perspektivansicht einer Eismaschine;
Figur 3 zeigt eine Stirnansicht zu Figur 1;
Figur 4 zeigt eine Rückansicht zu Figur 1;
Figur 5 zeigt einen symbolisierten axialen Schnitt durch eine Eiswaage;
Figur 6 zeigt eine transparente Stirnansicht einer Eiswaage;
Figur 7 zeigt ein Blockschalbild der Medienflüsse.
Figur 1 zeigt zwei Eismaschinen 1, die in zwei
Eismaschinencontainern 40 untergebracht sind. Diese Container 40 sind auf Containerstützgerüsten 4 über bodenseitig gelagerten Wassertankcontainern 30, die jeweils einen Kaltwassertank 3 umschließen, und einem Eiscontainer 2 angeordnet. Die Eismaschine besteht aus dem Kompressor 11, der vom Motor 10 angetrieben ist. Das komprimierte Kühlmittel wird in dem Kondensator 12 von dem Sprühwasserverdunster 13 durch einen Luftstrom abgekühlt. Das Kondensat wird im Abscheider 43 angesammelt und über eine Drossel dem Verdampfer 14 zugeführt. Dieser ist mit einer Wasserberieselung im Kreislaufbetrieb versehen. Das periodisch gelöste Eis wird über eine Siebplatte 15 durch den Einfallschacht 20 des Eiscontainers 2 abgeführt, das überschüssige kalte Wasser würde unter dem schrägstehenden Sieb 15 in einer Wanne 16 gesammelt und wieder umgepumpt.
Alternativ wird bei höherer Verdampfertemperatur gekühltes Wasser erzeugt, das aus der Wanne 16 in einen der Wassertanks 3
geleitet wird. Von dort wird es über einen Kaltwasserabfluß 32 zum Verbrauchsort geleitet.
Bodenseitig im Eiscontainer 2 befinden sich vier Schneckenförderer 21 in Parallelanordnung. Ausförderseitig von diesen ist darunter ein Querförderer 23 angeordnet von dem ein Schrägförderer 49 in eine Eiswaage 5 führt. Dieser besteht aus einem nach unten leicht divergierenden Schacht 50, der in einem Gestell angeordnet ist und bodenseitig eine Schleuse 51 aufweist, die von einem Schleusenmotor 52 bedarfsweise betätigt wird.
Für die Steuereinrichtung ist seitlich ein Armaturenschrank 53 montiert. Im Lüfter-Verdunster 13 ist bodenseitig eine Wassersammelwanne angeordnet von der das durch Verdunstungskälte um ca. 100C abgekühltes Frischwasser mit einer Kaltwasserpumpe 54 in den Berieseier des Verdampfers 14 gefördert wird. Von dort wird das in der Auffangwanne 16 gesammelte fast 00C kalte Wasser mit der Umlaufpumpe 17 wieder dem Berieseier des Verdampfers zugeführt oder umgesteuert in den Wassertank 3 abgeleitet.
Weitere Einzelheiten sind aus Figur 2 ersichtlich.
Die Container 2, 3 sind jeweils mit einer Wärmedämmschicht 42 ummantelt .
Figur 3 zeigt eine Stirnansicht der Gesamtanordnung. Zu dem Eismaschinencontainer 40 führt eine Treppe 55 mit einer Inspektionsrampe 56. Von dort aus ist der Armaturenschrank 53 zugänglich, durch den die Kühlmittelleitungen führen. Ein Steuerventilblock 18 ist vor den Verdampfer 14 geschaltet, so daß das flüssige Kühlkreislaufmittel und umgesteuert der Kühlmitteldampf dem Verdampfer zugeführt werden kann und entsprechend andererseits die Rückleitung geöffnet ist.
Aus der Wasserwanne 16 führt eine Saugleitung zur Umlaufpumpe 17, der ein Ventil 41 nachgeschaltet ist, das entweder einen
Umlauf oder eine Ableitung in den Kaltwasserzulauf 31 des Kaltwassertanks 3 herstellt.
Bodenseitig im Eiscontainer 2 sind mehrere
Förderschneckenantriebe 22 von daran angeschlossenen symbolisch dargestellten Förderschnecken 21 angeordnet. Die Schnecke 24 des Querförderers 23 führt zum Schrägförderer 49 und dieser endet über dem Schacht 50 der Eiswaage 5.
Figur 4 zeigt weitere Einzelheiten von der Rückseite der Anlage. Die Förderschnecken 21 enden oberhalb des Querförderers 23, der mit einem wannenartigen Gehäuse ausgebildet ist in dem eine Schnecke fördert. Durch den Schrägförderer 49 kommt das Eis in die Eiswaage 5, die mit Waageauflagern 57 in einem Traggestell 58 hängt.
Einzelheiten zur Eiswaage 5 sind aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich. Der Schacht 50 divergiert nach unten leicht, damit sich kein Eis festsetzten kann. Die Schleuse ist mit radialen gezahnten Blechen bestückt, die auf zwei parallelen Achsen drehbar montiert sind und jeweils, wenn zwei davon quer stehen, eine Abdichtung bewirken, andernfalls einen Zellraum nach unten öffnen.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild, insbesondere der Kühlmittel- und der Rieselwasserführung.
Der Kompressor 11 treibt den verdichteten Kühlmitteldampf durch eine Dampfleitung D gewöhnlich in die Kondensatoren 12A, 12B, die jeweils mit Wassersprühern an die Wasserleitung W über gesteuerte Ventile angeschlossen sind. Dem Sprühwasser bläst jeweils der Lüfter 13A, 13B entgegen. Restliches vorgekühltes Sprühwasser wird gesammelt und durch die Pumpe 54 abgeleitet und den Rieselwannen oberhalb der Verdampfer 14A, 14B zugeführt, unter denen das abgelaufene Wasser in den Wannen 16A, 16B aufgefangen und mit der Wasserpumpe 17 zurückgefördert wird oder
alternativ durch das Umsteuerventil 41 zum Kaltwasseranschluß 31 des Wassertanks geleitet wird.
Das aus den Wärmetauschern, den Kondensatoren 12A, 12B, kommende abgekühlte Kältemittel wird in den Abscheider 43 geleitet. Aus dem Abscheider 43 führt eine Kondensatleitung K zu den Ventilblöcken 18A, 18B. Dort können mit jeweils einzeln steuerbaren Ventilen VIl - V14 ein Eisbildungszustand und ein Eisablösezustand gesteuert werden, indem entweder die Dampfleitung D oder eine unten vom Abscheider 43 kommende Kondensatleitung K eingangsseitig durchgeschaltet werden, wobei jeweils der Ausgang mit einer Rückleitung R zum Abscheider 43 obenseitig führt, von wo der Kompressor 11 das gasförmige Kühlmittel absaugt. Vor den Verdampfern 14A, 14B ist zustromseitig jeweils ein einstellbares Entspannungsventil EV angeordnet. Ein Druckmesser oder Druckwächter P dient der Einstellung des Betriebsdruckes und somit der Betriebstemperatur .
Für die Stilllegung der Kondensatoren 12A, 12B sind Absperrventile V21 - V24 an den Zu- und Ableitungen vorgesehen; ebenso sind die Ventile VIl - V14 bei Reparatur- und Wartungsarbeiten komplett zu sperren. Die zweifach vorhandenen Kondensatoren 12A, 12B und die Verdampfer 14A, 14B sind durch gedoppelte Ventilanordnungen völlig unabhängig zu betreiben. Zweckmäßig ist es jedoch, den Betrieb zur Eiserzeugung bei niedriger Temperatur der Verdampfer 14A, 14B bzw. zur Kaltwassererzeugung bei höherer Temperatur der Verdampfer parallel vorzunehmen.
Für den effektiven Betrieb der Eiserzeugung sind über den Verdampfern 14A, 14B Rieselwannen 19A, 19B angeordnet aus denen dünne Wasserfäden auf die Oberkante der Verdampferplatten laufen, von wo sich das Rieselwasser gleichmäßig über die Verdampferplatten bzw. darauf angesetztes Eis verteilt. Das Niveau des aufgestauten Rieselwasservorrates in den Rieselwannen 19A, 19B wird jeweils zwischen einem tieferen Niveau Nl und
einem höheren Niveau N2 verändert, indem die Leistung der Wasserpumpe 17 gesteuert verändert wird, wobei das Niveau Nl zweckmäßig durch ein Überlaufventil V15 begrenzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist jeweils ein Niveausensor NS in den Rieselwannen 19A, 19B angeordnet, dessen Signal in einer Steuervorrichtung CTR ausgewertet wird, die zur Drehzahlsteuerung der Wasserpumpe 17 dient, wodurch das jeweils optimale Niveau und somit die Rieselgeschwindigkeit des Rieselwassers bestimmt wird. Diese Steuervorrichtung CTR steuert zweckmäßig auch die Umsteuerventile VIl - V14 an, die die Eisbildungsphase und die Enteisungsphase steuern. Während ersterer wird ein niedriges Rieselwasserniveau. Nl und während letzterer in höheres Niveau N2 angesteuert.
Die Phasenumsteuerung zwischen der Eisbildung und der Eisablösung erfolgt in einfachster Weise mittels Zeitsignalen eines Taktgebers CL, die der Steuervorrichtung CTR zugeführt werden. Eine Umsteuerung der Phasen wird in einer Weiterbildung des Verfahrens von der Eisdicke abhängig vorgenommen, wozu das Signal eines Eisdickensensors IS dient.
Eine an die Eisbildungsrate während der Eisbildungsphase recht genau angepaßten Rieselgeschwindigkeit des Wassers wird vorteilhaft mittels des Signals des Eisdickesensors IS gesteuert, das der Steuervorrichtung CTR zugeführt ist. Diese steuert mit seinem Steuersignal FC beispielsweise einen Frequenzgenerator FG, der die Wasserpumpe 17 drehzahlmäßig steuert .
Da die Niveauänderungen durch das Auffüllen bzw. Ablaufen des Rieselwassers jeweils mit einer Verzögerung erfolgen, ist die Steuervorrichtung CTR vorzugsweise mit einer invers wirkenden PID-Charakteristik für die Frequenzsteuerung und/oder mit einem Vorlauf und einem Nachlauf bezüglich der Ventilumsteuerung versehen.
Bei Anwendung aller vorbeschriebener vorteilhaften Verfahrensmaßnahmen wird eine Energieeinsparung von ca. 60% zu den vorbekannten Anlagen bei einer Umgebungstemperatur von ca. 5O0C erreicht.
Referenzliste
1 Eismaschine
10 Motor
11 Kompressor
12, 12A, 12B Kondensator
13, 13A, 13B Lüfter-Verdunster
14, 14A, 14B Verdampfer 15 Siebplatte
16, 16A, 16B Wassersammeiwanne
17 Wasserumlaufpumpe
18, 18A, 18B Kühlmittelumsteuerventil
19A, 19B Rieselwanne
2 Eiscontainer
20 Einfallschacht
21 Ausförderer
22 Förderschneckenantriebe
23 Querförderer
24 Förderschnecken
3 Wassertank
30 Wassertankcontainer
31 Kaltwasserzulauf
32 Kaltwasserabfluß
4 Container-Stützgerüst 40 Eismaschinencontainer
41 Steuerventile vor 3
42 Wärmedämmung an 2 und 3
43 Abscheider des Kühlmittels
49 Schrägförderer
5 Eiswaage
50 Schacht
51 Schleuse
52 Schleusenmotor
53 Armaturenschrank
54 Kaltwasserpumpe
55 Treppe
56 Rampe
57 Waageauflager
58 Traggestell
D Dampfstoßleitung
K Kondensatleitung
R Rückleitung
P Druckmesser
VIl - V14 Ventile zu 14A
V21 - V24 Ventile zu 12A
EV Entspannungsventil
W Wasserleitung
Nl unteres Rieselwasserniveau
N2 oberes Rieselwasserniveau
V15 Überlaufventil zu Nl
CTR Steuervorrichtung
IS Eisdickensensor
FC Frequenzsteuersignal
FG Frequenzgenerator
CL Taktgeber
NS Niveausensor