WO2011131771A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von eisbrei - Google Patents

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WO2011131771A2
WO2011131771A2 PCT/EP2011/056467 EP2011056467W WO2011131771A2 WO 2011131771 A2 WO2011131771 A2 WO 2011131771A2 EP 2011056467 W EP2011056467 W EP 2011056467W WO 2011131771 A2 WO2011131771 A2 WO 2011131771A2
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refrigerant
water
ice
permeate
freezing point
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PCT/EP2011/056467
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English (en)
French (fr)
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WO2011131771A3 (de
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Michael Kauffeld
Jan Hoinkis
Maurice Kettner
Jakob Schaaf
Original Assignee
Hochschule Karlsruhe - Technik Und Wirtschaft
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Publication date
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Publication of WO2011131771A3 publication Critical patent/WO2011131771A3/de

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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
    • 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 a method and an apparatus for producing ice-cream.
  • ice slurry or pumpable ice is understood to mean a two-phase refrigerant mixture comprising ice particles and a liquid refrigerant.
  • liquid refrigerant water is usually used, to which an additive is added in order to lower a freezing point, for example ethanol, salt or Glycol
  • the ice particles typically have a size or a diameter of about 0.01 mm to about 0.5 mm, and with a low concentration of the additive, particle sizes of about 1 mm are also possible.
  • Ice slurry is an environmentally friendly refrigerant, which has an up to seven times higher energy density (at the same temperature conditions) and an up to 50% higher heat transfer compared to a brine liquid through the stored in the phase transition ice particle liquid, especially ice particles water latent heat.
  • a simple promotion to a consumer for example by a pipe system is possible due to the pumpability of the ice slurry.
  • Due to the energy density it is possible to reduce the diameter of the pipes required for a distribution and / or a power required for this in comparison with the use of a pure coolant liquid. For example, a required pump capacity compared to systems with liquid water-glycol mixtures as a refrigerant can be reduced by a factor of 8.
  • Ice porridge for example, is used to chill fish or other perishable foods. Apart from food technology, systems using ice slurry are also applicable to air conditioning. Another application of ice porridge is the storage of the use of cold to reduce peak electrical loads during the day and use of the lower outside temperatures to generate cold during the night.
  • ice porridge it is known from WO 2009/034300 A1 to provide heat exchanger plates through which a cooling liquid flows, wherein ice deposits on an outer surface of the heat exchanger plate. For example, due to gravity, the depositing ice falls into a container arranged below the heat exchanger plates.
  • the heat transfer plates can be temporarily heated to blow off the accumulating ice.
  • EP 0 705 413 B1 discloses an apparatus for producing ice slurry with a heat transfer tube, wherein a refrigerant is conducted via an outer side of the heat transfer tube and the liquid to be cooled over an inner side of the heat transfer tube.
  • a spinner or whip rod is arranged in the heat transfer tube, which circulates along an inner surface of the heat transfer tube and separates the ice layer. The falling ice layer is collected in a container.
  • a device for the production of drinking water and ice slurry from seawater is known.
  • the seawater is filtered into drinking water and brine by means of reverse osmosis.
  • the brine has a high salt content, so that a freezing point of the brine is reduced compared to the seawater.
  • the brine is fed to a device for producing ice slurry comprising a double-walled heat exchanger, wherein the brine in the heat exchanger is cooled by a refrigerant so far that part of the water from the brine freezes on the wall of the heat exchanger.
  • the frozen ice layer is scraped off to produce the ice particles.
  • the use of a scraper or other means of releasing a frozen ice sheet typically increases the investment cost due to the additional component (s), the operating costs due to the increased energy required to move the scraper, and the maintenance effort due to wear of the scraper scraper.
  • ice slurry devices are further known in which the Eisbrei is generated by direct contact with a refrigerant.
  • a refrigerant for example from GB 2 385 120 A.
  • the device comprises a storage tank in which a refrigerant and a refrigerant are stored.
  • the refrigerant and the refrigerant are immiscible.
  • the storage container is arranged in a cooling circuit, in which the refrigerant removed from the storage container is cooled and returned to the storage container after cooling.
  • the brine is stored in the storage tank cooled directly by the supplied refrigerant, so that ice particles are generated.
  • the cooled refrigerant is fed by means of a consumer cycle a cold consumer.
  • a heat pump system for ice production with an evaporator / freezing chamber unit is known.
  • the evaporator / freezing chamber unit is supplied via spray nozzles, a dilute solution of an inorganic salt.
  • the spray from the spray nozzles is passed countercurrently to a vapor flow through a mist eliminator.
  • An ice slurry taken from the evaporator / freezer unit is separated into a dewatered solid ice and a "concentrate", further removing sparingly soluble salts from the "concentrate” and concentrating the resulting saline solution to a solution containing about 5% salt.
  • the saline solution is returned to the spray nozzles.
  • This object is achieved by a method for producing a mixture of ice particles and a liquid, water and a freezing point-reducing additive containing brine (Eisbrei), wherein the ice particles by direct contact of water and / or liquid Sigem refrigerant can be generated with a liquid refrigerant, the refrigerant is obtained from the brine by water is withdrawn from the brine, the refrigerant obtained from the refrigerant is cooled to a temperature T_K, which is below a freezing point of water, especially below a freezing point of the refrigerant, and the supercooled refrigerant is mixed with water, the refrigerant and / or a refrigerant permeate to produce the ice slurry.
  • T_K which is below a freezing point of water, especially below a freezing point of the refrigerant
  • the refrigerant is cooled in advantageous embodiments by means of an evaporator to a temperature T_K.
  • the temperature T_K is preferably close to the freezing point of the refrigerant and above the freezing point of the refrigerant.
  • the cooling device, in particular the evaporator is designed to reduce the temperature suitable. Since the refrigerant has a higher concentration of the freezing point-reducing additive than the refrigerant, a freezing point of the refrigerant is below a freezing point of the refrigerant.
  • the refrigerant cooled to the temperature T_K is referred to as undercooled refrigerant.
  • the supercooled refrigerant is miscible with a brine permeate, the brine and / or water to produce the ice slurry.
  • a refrigerant permeate As a refrigerant permeate is referred to in the context of the invention, a mixture of water and the freezing point-reducing additive, which has a lower concentration of the additive, as the refrigerant. Accordingly, the refrigerant, which is a mixture of water and the freezing point reducing additive, which has a higher concentration of the additive than the refrigerant, is also referred to as a refrigerant concentrate.
  • a device for producing ice-cream slurry comprising a mixing device, by means of which the ice Particles by direct contact of water and / or refrigerant can be generated with a liquid refrigerant, a separation device through which the refrigerant to generate the refrigerant water is withdrawn, and a cooling device for generating undercooled refrigerant, through which the refrigerant to a temperature T_K coolable is, which is below a freezing point of water, in particular below a freezing point of the refrigerant, wherein in the mixing device, the supercooled refrigerant with water, the refrigerant and / or a refrigerant permeate is miscible.
  • the device has a cooling device through which the refrigerant is cooled.
  • the cooling device is designed in one embodiment as an evaporator.
  • the cooling device is arranged between the separating device and the mixing device, wherein the refrigerant by means of the cooling device, in particular by means of an evaporator, to a temperature T_K is coolable, which is below a freezing point of water, in particular below a freezing point of the Kältes- gers.
  • the cooling device is at least partially integrated into the mixing device.
  • the cooling device and the separator are arranged in separate facilities.
  • ethanol As freezing point-reducing additives, ethanol, glycol and / or salt are used in advantageous embodiments.
  • the refrigerant has compared to the refrigerant a higher concentration of the additive.
  • a storage container for storing the ice slurry is provided.
  • the mixing device is at least partially integrated in the storage container.
  • the mixing device and the storage container are formed separately.
  • a cooling circuit is provided, wherein the storage container, the separating device, the cooling device and the mixing device are arranged in the cooling circuit.
  • the storage container is thereby the basic mixture of water and freezing point-reducing additives, i. the brine.
  • the ice cream is removable from the storage container for use.
  • the storage container further has a drain for liquid refrigerant, which is coupled to an inlet of the separator.
  • the brine permeate or water obtained in the separator can be fed to the mixing device for producing ice cream.
  • the mixing device and the storage container of Eisbrei produced can be removed via a flow of the mixing device and the storage container fed again.
  • the separating device is coupled to that of the mixing device in such a way that the refrigerant generated by the separating device can be continuously supplied to the mixing device during operation.
  • the mass flows of the refrigerant supplied to the mixing device and of the supplied brine permeate or water are coordinated with one another in such a way that the production of ice slurry is continuously possible.
  • the separating device is coupled to the storage container such that the through Separator generated refrigerant in operation can be supplied to the storage container.
  • the mixing device can be supplied with refrigerant when the system starts up. During operation of the device or system, the mixing device, however, no refrigerant is supplied.
  • the coolant is withdrawn to obtain the refrigerant water in a reverse osmosis process, in particular in a separating device designed as a reverse osmosis device.
  • a reverse osmosis or reverse osmosis process is a physical process in which the natural osmosis process is reversed by the application of pressure.
  • the reverse osmosis device comprises a semi-permeable (semipermeable) membrane which penetrates the water present in the brine by applying a pressure, so that the portion of the brine, which does not permeate the membrane, is dehydrated in order to produce the refrigerant.
  • glycol as a freezing point-reducing additive
  • a separation by means of reverse osmosis with a good separation efficiency is possible due to the size of the molecules of the glycol.
  • the refrigerant thus produced has a lower freezing point than the brine due to the higher concentration of the freezing point reducing additive.
  • the refrigerant is extracted from the refrigerant to obtain the refrigerant water by nanofiltration.
  • Nanofiltration is a pressure-driven membrane process that retains particles in the nanometer range with a size of approx. 1 to approx. 10 nm.
  • nanofiltration requires a lower one Pressure, whereby an energy input compared to a reverse osmosis device with the same power is reduced.
  • the refrigerant In the reverse osmosis process and / or nanofiltration, the refrigerant is separated into the refrigerant and the brine permeate, in special cases, a separation into refrigerant and water is possible, d. H.
  • the permeate accumulating in addition to the refrigerant is free or substantially free of freezing point-reducing additives.
  • a necessary pressure for the reverse osmosis process and / or the nanofiltration is dependent on a difference in concentration between the refrigerant and the refrigerant.
  • a relief valve is provided in one embodiment.
  • a device for energy recovery in particular a pressure exchanger is provided, through which a present at the outlet pressure for building up a driving pressure for the reverse osmosis process and / or the nanofiltration is available.
  • a required use of energy can be reduced.
  • the refrigerant is mixed with the extracted water in a mixing device, in particular in a mixing nozzle and / or a filled with supercooled refrigerant concentrate container for generating the Eisbreis.
  • the mixing nozzle has suitable feed connections for the water withdrawn from the refrigerant or the refrigerant permeate and the refrigerant.
  • the water or the brine permeate freezes due to the lower temperature of the refrigerant, resulting in ice particles.
  • the mixture of the ice particles and the refrigerant is fed back to the storage container in one embodiment.
  • a concentrate container filled with subcooled refrigerant with a feed for water, the brine or the brine permeate and a discharge for ice slurry and / or ice particles is provided as a mixing device.
  • the concentrate container is continuously supplied with water or the brine permeate during operation and ice slurry and / or ice particles are removed during operation.
  • the ice particles produced in the concentrate container usually arrange themselves above the liquid mixture of refrigerant permeate and refrigerant due to the difference in density. In order to enable removal of the ice particles with as little liquid as possible, the ice slurry produced is therefore preferably removed in an upper region.
  • the concentrate container has for removal of Eisbrei in an embodiment for this purpose a suitable outlet in a ceiling area. Such a shaped concentrate container is referred to in the application as Eisbrei overflow.
  • a filling of the concentrate container is carried out in an embodiment in the operation for the production of Eisbrei continuously, i. the refrigerant generated by the separator is continuously supplied to the concentrate container.
  • the concentrate container is filled when the device or system is started or started up.
  • the concentration of the mixture in the concentrate container changes. For a high ice formation rate, a large concentration difference between the refrigerant and the brine permeate is advantageous.
  • the mixture stored in the concentrate container should have a high concentration of freezing point reducing additives.
  • a concentration of the held in the concentrate container above a threshold value, wherein preferably falls below the threshold value the operation is interrupted and the concentrate container refrigerant is supplied.
  • the supplied refrigerant is recovered by the separator from a mixture taken from the concentrate container.
  • the mixing device is cooled to produce the ice particles.
  • the concentrate container and the cooling device are integrated in one structural unit.
  • Fig. 1 a first embodiment of an inventive
  • Apparatus for producing ice-cream shows a separating device for obtaining a refrigerant
  • Fig. 4 a third embodiment of an inventive
  • Fig. 5 the device of FIG. 4 at a concentration of the
  • Fig. 6 designed as Eisbrei overflow concentrate container for a device according to FIG. 4 and
  • Fig. 7 a fourth embodiment of an inventive
  • the device 1 shows schematically a first embodiment of a device 1 according to the invention for the production and storage of ice slurry 2.
  • the device 1 comprises a storage tank 3 and a cooling circuit 4.
  • the ice slurry 2 is a two-phase medium comprising ice particles and a liquid refrigerant.
  • the liquid refrigerant 5 is further arranged, with the Eisbrei 2 arranges due to the lower density as shown above the refrigerant 5.
  • the brine 5 contains water and a freezing point reducing additive.
  • the coolant 5 is a water / glycol mixture, a water / ethanol mixture and / or a water / salt mixture.
  • the refrigerant 5 is taken from the storage tank 3 via a drain 30 and fed to the cooling circuit 4.
  • the cooling circuit 4 comprises a pump 40, a separator 41, an evaporator 42 and a mixing device 43.
  • the mixing device 43 is arranged outside the storage container 3.
  • a mixing device is seated in the storage container 3 and / or in the region of an inlet to the storage container 3.
  • the refrigerant 5 is withdrawn at least a portion of the water.
  • the separation device is designed as a reverse osmosis device.
  • a reverse osmosis device In particular, when using a water / glycol mixture as the refrigerant 5, a removal of the water from the refrigerant 5 by means of reverse osmosis with a good separation performance is possible.
  • the driving pressure is established by the pump 40.
  • a concentrate is produced from the refrigerant 5, which has a higher concentration of the freezing point-reducing additive than the refrigerant 5.
  • This concentrate serves as a refrigerant 6.
  • a refrigerant permeate 7 is obtained, which has a lower concentration of the freezing point-reducing additive as the refrigerant 5. If the freezing point-reducing additive is completely removed, water is obtained as the permeate.
  • the refrigerant 6 has an increased concentration of the freezing point-reducing additive compared with the refrigerant 5 and with respect to the refrigerant permeate 7.
  • the illustrated cooling circuit 4 further comprises the evaporator 42.
  • the refrigerant 6 is cooled to near its own freezing point to a temperature T_K.
  • the temperature T_K is below the freezing point of the separated refrigerant permeate 7, in particular below the temperature of the refrigerant 5.
  • the evaporator 42 is part of a refrigeration system. 8
  • the separated in the separator 41 refrigerant permeate 7 is mixed in the mixing device 43 with the cooled over the evaporator 42 refrigerant 6.
  • the mixing device 43 is formed in the illustrated embodiment as a mixing nozzle.
  • the separated refrigerant permeate 7 freezes on contact with the supercooled refrigerant 6 due to the low temperature to ice, so that the Eisbrei 2 is generated.
  • the ice slurry 2 is fed via an inlet 31 to the storage container 3.
  • the refrigerant 6 and the refrigerant permeate 7 have substantially the same pressure.
  • the refrigerant 6 is under increased pressure.
  • a valve not shown, is provided, by means of which the refrigerant 6 is expanded to the pressure of the refrigerant carrier permeate 7.
  • the valve is arranged before and / or after the evaporator 42.
  • a relaxation of the refrigerant 6 in the mixing device 43 is provided directly in the separator 41.
  • the illustrated storage container 3 further comprises an outlet 32, via which the ice slurry 2 can be removed and supplied to a consumer, not shown. Via a return 33 is a refrigerant 5 and / or coming from the consumer, resulting from heating of the ice slurry 2 mass again the storage container 4 can be fed.
  • 2 shows a second exemplary embodiment of a device 1 according to the invention.
  • the device 1 essentially corresponds to the device 1 according to FIG. 1 and identical reference symbols are used for identical components. A detailed description of these components will be omitted.
  • a pressure necessary for the separator 41 depends on a difference in concentration of the refrigerant 6 and the refrigerant 5.
  • the device 2 comprises a device for energy recovery 9, by means of which a pressure present in the refrigerant 6 at the outlet of the separating device 41 can be used for the construction of a driving pressure by means of the pump 40 for the separating device 41.
  • the device 1 according to FIG. 2 is therefore particularly advantageous in the case of high concentration differences.
  • the device for energy recovery is formed in advantageous embodiments as a pressure exchanger, in particular comprising a piston pump.
  • the device for energy recovery 9 and the pump 40 are at least partially designed as a common component in one embodiment.
  • FIG. 3 shows a separating device 41 for obtaining a refrigerant 6 and a coolant permeate 7 from a coolant carrier 5.
  • the coolant carrier 5 is taken from a coolant carrier 50.
  • the brine permeate 7 and the refrigerant 6 are collected in a permeate tank 70 and a concentrate tank 60, respectively.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a device 1 according to the invention for producing ice slurry 2 using the concentrate container 60 as a mixing device.
  • the refrigerant 6 collected in the concentrate container 60 is charged by means of a cooling device 42 a temperature T_K cooled, so that in the concentrate container 60 is super-cooled refrigerant 6.
  • the device 1 according to FIG. 4 comprises a cooling circuit 4, in which a storage container 3, the separating device 41 and the mixing device designed as a concentrate container 60 are arranged.
  • the storage tank 3, the refrigerant 5 is removed and fed to the separator 41.
  • a concentrate or refrigerant 6 which has a higher concentration of the freezing point-reducing additive than the refrigerant 5, is recovered from the refrigerant 5 in a reverse osmosis process.
  • the concentrate or refrigerant 6 is used in the device 1 according to FIG. 4 returned directly to the storage container 3 in the illustrated normal operation of the device 1.
  • the separator 41 further obtained a brine permeate 7, which has a lower concentration of the freezing point-reducing additive than the refrigerant 5.
  • the brine permeate 7 is fed to the permeate tank 70.
  • precooling takes place in the permeate tank 70 by means of a cooling device 71.
  • the precooled brine permeate 7 is fed to the mixing device designed as a concentrate tank 60, wherein in the mixing device the refrigerant permeate 7 with the undercooled refrigerant 6 Generation of ice particles is mixed.
  • a mass flow of the brine permeate 7 to the mixing device designed as a concentrate container 60 is selected so that the highest possible proportion of refrigerant permeate 7 is converted into ice particles.
  • the concentrate container 60 Upon generation of the ice particles in the concentrate container 60, the refrigerant is deprived of latent heat.
  • the concentrate container 60 therefore has a cooling device 42, by which the refrigerant 6 is cooled even during the generation of the ice particles.
  • the ice particles formed in the mixing device designed as a concentrate container 60 are removed from the mixing device and returned to the storage container 3.
  • the storage container 3 is thus a mixture of water and the freezing point-reducing additive in different states of aggregation.
  • a resulting ice in 2 in the illustrated embodiment is taken in an upper portion of the mixing device 60 formed as a concentrate container. Thereby, it is possible to keep the proportion of liquid taken out with the ice particles in the ice slurry 2 low.
  • An ice formation rate in the concentrate container 60 depends inter alia on a difference in concentration between the refrigerant 6 stored in the concentrate container 60 and the supplied cold carrier permeate 7. Since during the production of the ice particles the refrigerant permeate 7 is not completely converted into ice particles, during operation a concentration of the refrigerant 6 changes, more precisely a proportion of the freezing point-reducing additive. In other words, the concentration of the freezing point reducing additive decreases during operation of the device 1.
  • the device 1 is switched over to an operation shown schematically in FIG. 5 for concentration of the refrigerant 6.
  • the storage container 3 is separated from the separating device 41 and the concentrate container 60. separates.
  • a liquid mixture 5 a taken from the concentrate container 60 is fed to the separating device 41.
  • the mixture 5a contains water and the freezing point reducing additive.
  • the mixture 5a thus differs from the refrigerant 5 at best due to a concentration of the freezing point-reducing additive.
  • the supplied mixture 5a is treated by the separator 41, whereby refrigerant 6 and refrigerant permeate 7 are recovered.
  • the thus obtained refrigerant 6 is supplied to the concentrate container 60, so that the concentration of the refrigerant 6 or the freezing point-reducing additive in the concentrate container 60 is increased.
  • FIG. 6 schematically shows an embodiment of a mixing device designed as a concentrate container 60 for the device 1 according to FIG. 4.
  • the concentrate container 60 shown in FIG. 6 has a lateral outlet 61 in a ceiling region, at which an outlet chute 62 leading obliquely downwards followed. Due to the orientation of the discharge chute 62, an ice layer forming above the liquid refrigerant 6 (not shown in FIG. 6) is automatically drained off due to gravity.
  • the thus designed concentrate container 60 is therefore also referred to as Eisbreiüberlauf. 7 shows a fourth embodiment of a device 1 according to the invention for the production of ice slurry 2.
  • a refrigerant 5 is taken from a mixture container or refrigerant tank 50 and fed to the separator 41.
  • a generated ice slurry 2 is collected in a storage container 3 formed separately therefrom.
  • a concentrate or refrigerant 6 is produced from the coolant 5 in a reverse osmosis process, which is fed directly to the storage container 3 in the device 1 shown in FIG.
  • a brine permeate 7 is produced.
  • the brine permeate 7 is temporarily stored in the permeate tank 70 and cooled.
  • An outlet of the permeate container 70 is coupled to a mixing device designed as a concentrate container 60 for generating the ice slurry 2.
  • the concentrate container 60 is formed in one embodiment as Eisbreiplatzlauf with a discharge chute, as shown schematically in Fig. 6.
  • the inventive method comprising generating a refrigerant 6 by removing the water from the mixture used as a refrigerant 5 eliminates the need for a secondary refrigerant, such as a thermal oil to supply the cold storage to the refrigerant 5.
  • a secondary refrigerant such as a thermal oil to supply the cold storage to the refrigerant 5.
  • the inventive method is environmentally friendly than conventional methods. Energetically, the inventive method is also cheaper than conventional methods, since the heat transfer of the mixture used as a refrigerant, in particular a water / glycol mixture is better than that of thermal oil.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei (2) umfassend Eispartikel und einen flüssigen Kälteträger (5), wobei der Kälteträger (5) Wasser und einen gefrierpunktverringernden Zusatzstoff enthält, Eispartikel durch direkten Kontakt von Wasser (7) und/oder flüssigem Kälteträger (5) mit einem flüssigen Kältemittel (6) erzeugt werden, das Kältemittel (6) aus dem Kälteträger (5) gewonnen wird, indem dem Kälteträger (5) Wasser (7) zumindest teilweise entzogen wird, das aus dem Kälteträger (5) gewonnene Kältemittel (6) auf eine Temperatur T_K gekühlt wird, welche unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträgers (5) liegt, und das unterkühlte Kältemittel (6) mit Wasser (7) und/oder dem Kälteträger (5) zur Erzeugung des Eisbreis (2) gemischt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei.
Als„Eisbrei" oder pumpfähiges Eis wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein zweiphasiges Kälteträgergemisch bezeichnet, umfassend Eispartikel und einen flüssigen Kälteträger. Als flüssiger Kälteträger wird üblicherweise Wasser verwendet, welchem ein Zusatzstoff zugefügt ist, um einen Gefrierpunkt zu senken, beispielsweise Ethanol, Salz oder Glykol. Die Eispartikel haben typischerweise eine Größe oder einen Durchmesser von ca. 0,01 mm bis ca. 0,5 mm, bei niedriger Konzentrati- on des Zusatzstoffes sind auch Partikelgrößen von ca. 1 mm möglich.
Eisbrei ist ein umweltfreundlicher Kälteträger, der durch die im Phasenübergang Eispartikel-Flüssigkeit, insbesondere Eispartikel-Wasser, gespeicherte latente Wärme eine bis zu siebenfach höhere Energiedichte (bei gleichen Temperaturbedingungen) und einen bis zu 50 % höheren Wärmeübergang gegenüber einer Kälteträger-Flüssigkeit aufweist. Gleichzeitig ist aufgrund der Pumpfähigkeit des Eisbreis eine einfache Förderung zu einem Verbraucher beispielsweise durch ein Rohrsystem möglich. Aufgrund der Energiedichte lassen sich im Vergleich zu einer Verwendung einer reinen Kälteträger-Flüssigkeit Durchmesser der für eine Verteilung notwendigen Rohre und/oder eine Leistung hierfür notwendiger Pumpen verringern. Beispielsweise ist eine erforderliche Pumpenleistung gegenüber Anlagen mit flüssigen Wasser-Glykol-Gemischen als Kälteträger um den Faktor 8 reduzierbar.
Eisbrei wird beispielsweise zum Kühlen von Fisch oder anderen, schnell verderblichen Lebensmitteln eingesetzt. Außer in der Lebensmitteltechnik sind Anlagen unter Verwendung von Eisbrei auch für die Klimatechnik anwendbar. Ein weiteres Einsatzgebiet von Eisbrei ist die Speiche- rung von Kälte zum Abbau von elektrischen Spitzenlasten tagsüber und Nutzung der tieferen Außentemperaturen zur Erzeugung der Kälte während der Nachtstunden. Zur Erzeugung oder Herstellung von Eisbrei ist es aus der WO 2009/034300 A1 bekannt, Wärmeübertragerplatten bereitzustellen, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, wobei sich an einer Außenfläche der Wärmeübertragerplatte Eis ablagert. Das sich ablagernde Eis fällt beispielsweise aufgrund der Schwerkraft in einen un- terhalb der Wärmeübertragerplatten angeordneten Behälter. Zusätzlich können die Wärmeübertragerplatten temporär für ein Absprengen des sich anlagernden Eises erwärmt werden.
Aus der EP 0 705 413 B1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Eis- brei mit einem Wärmeübertragungsrohr bekannt, wobei ein Kältemittel über eine Außenseite des Wärmeübertragungsrohres und die abzukühlende Flüssigkeit über eine Innenseite des Wärmeübertragungsrohres geführt werden. Zum Ablösen einer sich an der Innenseite ablagernden Eisschicht ist ein Schleuder- oder Peitschenstab in dem Wärmeübertra- gungsrohr angeordnet, welcher entlang einer Innenfläche des Wärmeübertragungsrohres umläuft und die Eisschicht abtrennt. Die abfallende Eisschicht wird in einem Behälter aufgefangen.
Aus der US 2002/0194865 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser und Eisbrei aus Seewasser bekannt. Dabei wird mittels Umkehrosmose das Seewasser in Trinkwasser und Sole gefiltert. Die Sole hat einen hohen Salzgehalt, sodass ein Gefrierpunkt der Sole gegenüber dem Seewasser reduziert ist. Die Sole wird einer Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei umfassend einen doppelwandigen Wärmeü- bertrager zugeführt, wobei die Sole in dem Wärmeübertrager durch ein Kältemittel soweit abgekühlt wird, dass ein Teil des Wassers aus der Sole an der Wand des Wärmeübertragers anfriert. Die angefrorene Eisschicht wird zur Erzeugung der Eispartikel abgeschabt. Die Verwendung eines Schabers oder einer anderen Einrichtung zum Lösen einer angefrorenen Eisschicht erhöht jedoch in der Regel die Investitionskosten aufgrund der zusätzlichen Komponente(n), die Be- triebskosten, begründet durch den erhöhten Energieaufwand zur Bewegung des Schabers, und den Wartungsaufwand aufgrund des Verschleißes des Schabers.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Eisbrei ist die so- genannte „Unterkühlungsmethode". Bei diesem Verfahren wird reines Wasser mittels eines Sekundärkreislaufs in einem Wärmeübertrager, dem sogenannten Unterkühler (Supercooler), auf etwa -2 °C unterkühlt und danach wird im Abspalter oder Entlaster (Engl. Releaser) der Phasenwechsel gezielt eingeleitet. Bei diesem Verfahren ist darauf zu ach- ten, dass der Phasenwechsel nicht bereits vor dem Entlaster (Releaser) eintritt, da dieser verfrühte Phasenwechsel zu einer Blockierung der Anlage mit Eispartikeln führen kann. Da bei unterkühltem Wasser schon eine geringe Störung im System, z. B. ein Eiskeim oder Schmutzpartikel, genügt, um den Phasenwechsel anzuregen, werden Eiskeime im Unter- kühler (Supercooler) peinlichst vermieden. Dazu wird das Wasser vor dem Unterkühler (Supercooler) auf 0,5 °C erwärmt, um Eispartikel abzuschmelzen. Zusätzlich ist ein Filter zur Vermeidung von Schmutzpartikeln eingebaut. Zur Erzeugung von Eisbrei sind weiter Vorrichtungen bekannt, bei welchen der Eisbrei durch Direktkontakt mit einem Kältemittel erzeugt wird. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus GB 2 385 120 A bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Speicherbehälter, in welchem ein Kälteträger und ein Kältemittel gespeichert sind. Der Kälteträger und das Kältemittel sind dabei unmischbar. Der Speicherbehälter ist in einem Kühlkreislauf angeordnet, in welchem das dem Speicherbehälter entnommene Kältemittel gekühlt und nach dem Kühlen wieder dem Speicherbehälter zugeführt wird. Der Kälteträger wird in dem Speicherbehäl- ter durch das zugeführte Kältemittel direkt gekühlt, sodass Eispartikel erzeugt werden. Der gekühlte Kälteträger ist mittels eines Verbraucherzyklus einem Kälteverbraucher zuführbar. Dabei ist ein Einsatz in einem offenen Verbraucherkreislauf, in welchem der Kälteträger in direktem Kontakt mit dem zu kühlenden Produkt steht, insbesondere in Kontakt mit Lebensmitteln, kritisch, da die vollständige Trennung von Kälteträger und Kältemittel oft nicht möglich ist. Als Kältemittel wird bei derartigen Vorrichtungen üblicherweise ein Thermoöl verwendet. Bekannte Ther- moöle haben jedoch im Vergleich zu Wasser einen schlechteren Wär- meübergangkoeffizienten. Dadurch erhöht sich der Energieverbrauch derartiger Vorrichtungen. Andere eingesetzte Kältemittel sind beispielsweise CF4 oder Isobutan.
Aus der EP 1 247 024 B1 ist eine Wärmepumpenanlage zur Eiserzeu- gung mit einer Verdampfer/Gefrierkammer-Einheit bekannt. Dabei wird der Verdampfer/Gefrierkammer-Einheit über Sprühdüsen eine verdünnte Lösung eines anorganischen Salzes zugeführt. Der Sprühnebel aus den Sprühdüsen wird im Gegenstrom zu einem Dampffluss durch einen Tropfenabscheider geführt. Ein der Verdampfer/Gefrierkammer-Einheit entnommener Eisbrei wird in ein entwässertes festes Eis und ein„Konzentrat" getrennt, wobei weiter schwer lösliche Salze aus dem„Konzentrat" entfernt werden und die daraus resultierende Salzlösung auf eine Lösung mit etwa 5% Salzanteil konzentriert wird. Die Salzlösung wird den Sprühdüsen wieder zugeführt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche ein umweltfreundliches Kältemittel mit geringem Energieaufwand erzeugbar ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemischs aus Eispartikeln und einem flüssigen, Wasser und einen gefrierpunktverringernden Zusatzstoff enthaltenden Kälteträger (Eisbrei), wobei die Eispartikel durch direkten Kontakt von Wasser und/oder flüs- sigem Kälteträger mit einem flüssigen Kältemittel erzeugt werden, das Kältemittel aus dem Kälteträger gewonnen wird, indem dem Kälteträger Wasser entzogen wird, das aus dem Kälteträger gewonnene Kältemittel auf eine Temperatur T_K gekühlt wird, welche unterhalb eines Gefrier- punkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträgers liegt, und das unterkühlte Kältemittel mit Wasser, dem Kälteträger und/oder einem Kälteträger-Permeat zur Erzeugung des Eisbreis gemischt wird. Das Kältemittel wird in vorteilhaften Ausgestaltungen mittels eines Verdampfers auf eine Temperatur T_K gekühlt. Die Temperatur T_K liegt dabei vorzugsweise nahe dem Gefrierpunkt des Kältemittels und oberhalb des Gefrierpunkts des Kältemittels. Die Kühlvorrichtung, insbesondere der Verdampfer ist für die Absenkung der Temperatur geeignet ausgebildet. Da das Kältemittel eine höhere Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes aufweist als der Kälteträger, liegt ein Gefrierpunkt des Kältemittels unterhalb eines Gefrierpunktes des Kälteträgers. Das auf die Temperatur T_K gekühlte Kältemittel wird als unter- kühltes Kältemittel bezeichnet. Das unterkühlte Kältemittel ist mit einem Kälteträger-Permeat, dem Kälteträger und/oder Wasser zur Erzeugung des Eisbreis mischbar.
Als Kälteträger-Permeat wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein Gemisch aus Wasser und dem gefrierpunktverringernden Zusatzstoff bezeichnet, welches eine geringere Konzentration des Zusatzstoffes aufweist, als der Kälteträger. Entsprechend wird das Kältemittel, bei welchem es sich um ein Gemisch aus Wasser und dem gefrierpunktverringernden Zusatzstoff handelt, welches eine höhere Konzentration des Zusatzstoffes aufweist, als der Kälteträger, auch als Kälteträger- Konzentrat bezeichnet.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei, umfassend eine Mischvorrichtung, mittels welcher die Eis- Partikel durch direkten Kontakt von Wasser und/oder Kälteträger mit einem flüssigen Kältemittel erzeugbar sind, eine Trenneinrichtung, durch welche zur Erzeugung des Kältemittels dem Kälteträger Wasser entziehbar ist, und eine Kühlvorrichtung zur Erzeugung von unterkühltem Kältemittel, durch welche das Kältemittel auf eine Temperatur T_K kühlbar ist, welche unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträgers liegt, wobei in der Mischvorrichtung das unterkühlte Kältemittel mit Wasser, dem Kälteträger und/oder einem Kälteträger-Permeat mischbar ist.
Die Vorrichtung weist eine Kühlvorrichtung auf, durch welche das Kältemittel abgekühlt wird. Die Kühlvorrichtung ist in einer Ausgestaltung als Verdampfer gestaltet. In einer Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung zwischen der Trenneinrichtung und der Mischvorrichtung angeordnet, wobei das Kältemittel mittels der Kühlvorrichtung, insbesondere mittels eines Verdampfers, auf eine Temperatur T_K kühlbar ist, welche unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträ- gers liegt. Alternativ ist in anderen Ausgestaltungen die Kühlvorrichtung zumindest teilweise in die Mischvorrichtung integriert. In wieder anderen Ausgestaltungen sind die Kühlvorrichtung und die Trenneinrichtung in getrennten Anlagen angeordnet. Im Unterschied zu dem beispielsweise aus GB 2 385 120 A bekannten Verfahren zur Kristallisation des Wassers durch Direktkontakt wird erfindungsgemäß kein Kältemittel eingesetzt, welches unmischbar mit dem Kälteträger ist. Vielmehr wird das Kältemittel direkt aus dem Kälteträger gewonnen. Damit wird eine umweltfreundliche Kältespeicherung und -nutzung möglich.
Als gefrierpunktverringernde Zusatzstoffe werden in vorteilhaften Ausgestaltungen Ethanol, Glykol und/oder Salz eingesetzt. Das Kältemittel hat gegenüber dem Kälteträger eine höhere Konzentration des Zusatzstoffes.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein Speicherbehälter zum Speichern des Eisbreis vorgesehen. Die Mischvorrichtung ist in einer Ausgestaltung wenigstens teilweise in dem Speicherbehälter integriert. In anderen Ausgestaltungen sind die Mischvorrichtung und der Speicherbehälter getrennt ausgebildet. In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein Kühlkreislauf vorgesehen, wobei der Speicherbehälter, die Trenneinrichtung, die Kühlvorrichtung und die Mischvorrichtung in dem Kühlkreislauf angeordnet sind. In dem Speicherbehälter befindet sich dabei das Grundgemisch aus Wasser und gefrierpunktverringernden Zusatzstoffen, d.h. der Kälteträger. Der Eisbrei ist dem Speicherbehälter für einen Gebrauch entnehmbar. Der Speicherbehälter weist weiter einen Ablauf für flüssigen Kälteträger auf, welcher mit einem Zulauf der Trenneinrichtung gekoppelt ist. Das in der Trenneinrichtung erhaltene Kälteträger-Permeat oder Wasser ist der Mischvorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei zuführ- bar. Bei getrennter Ausbildung der Mischvorrichtung und des Speicherbehälters ist der erzeugte Eisbrei über einen Ablauf der Mischvorrichtung entnehmbar und dem Speicherbehälter wieder zuführbar.
In einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass die Trenneinrichtung mit der der Mischvorrichtung derart gekoppelt ist, dass das durch die Trenneinrichtung erzeugte Kältemittel im Betrieb kontinuierlich der Mischvorrichtung zuführbar ist. Die Massenströme des der Mischeinrichtung zugeführten Kältemittels und des zugeführten Kälteträger-Permeats oder Wassers sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass eine Er- zeugung von Eisbrei kontinuierlich möglich ist.
In anderen Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Trenneinrichtung mit dem Speicherbehälter derart gekoppelt ist, dass das durch die Trenneinrichtung erzeugte Kältemittel im Betrieb dem Speicherbehälter zuführbar ist. Die Mischeinrichtung ist beim Anfahren der Anlage mit Kältemittel versorgbar. Während des Betriebs der Vorrichtung oder Anlage wird der Mischeinrichtung dagegen kein Kältemittel zugeführt. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es mit einfachen konstruktiven Maßnahmen möglich, einen Massenstrom des Kälteträger-Permeats oder Wassers geeignet einzustellen, um einen Anteil des Kälteträger-Permeats oder Wassers, der in Eispartikel umgewandelt wird, zu maximieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dem Kälteträger zur Gewinnung des Kältemittels Wasser in einem Umkehrosmose-Verfahren, insbesondere in einer als Umkehrosmose-Vorrichtung ausgebildeten Trenneinrichtung, entzogen. Als Umkehrosmose- oder Reverseosmose-Verfahren wird ein physikalisches Verfahren bezeichnet, bei welchem durch Aufbringen von Druck der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt wird. Die Umkehrosmose- Vorrichtung umfasst eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran, welche das im Kälteträger vorhandene Wasser durch Aufbringen eines Drucks durchdringt, sodass der die Membran nicht durchdringende Anteil des Kälteträgers zur Erzeugung des Kältemittels entwässert wird. Insbesondere bei einer Verwendung von Glykol als gefrierpunktverringernden Zusatzstoff ist aufgrund der Größe der Moleküle des Glykols eine Trennung mittels Umkehrosmose mit einer guten Trennleistung möglich. Das so erzeugte Kältemittel weist aufgrund der höheren Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes einen tieferen Gefrierpunkt auf, als der Kälteträger.
Alternativ wird dem Kälteträger zur Gewinnung des Kältemittels Wasser mittels Nanofiltration entzogen. Als Nanofiltration wird ein druckgetriebenes Membranverfahren bezeichnet, das Partikel im Nanometer-Bereich mit einer Größe von ca. 1 bis ca. 10 nm zurückhält. Im Unterschied zu Umkehrosmose-Verfahren benötigt die Nanofiltration einen niedrigeren Druck, wodurch ein Energieeinsatz im Vergleich zu einer Umkehrosmose-Vorrichtung bei gleicher Leistung reduzierbar ist.
Bei der Umkehrosmose-Verfahren und/oder der Nanofiltration wird der Kälteträger in das Kältemittel und das Kälteträger-Permeat getrennt, in Sonderfällen ist eine Trennung in Kältemittel und Wasser möglich, d. h. das neben dem Kältemittel anfallende Permeat ist frei oder im Wesentlichen frei von gefrierpunktverringernden Zusatzstoffen. Ein notwendiger Druck für das Umkehrosmose-Verfahren und/oder die Nanofiltration ist von einem Konzentrationsunterschied zwischen Kälteträger und Kältemittel abhängig. Um einen hohen Druck des Kältemittels am Ausgang der Trenneinrichtung abzubauen, ist in einer Ausgestaltung ein Entlastungsventil vorgesehen.
In vorteilhaften Ausgestaltungen ist eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung, insbesondere ein Druckaustauscher vorgesehen, durch welche/welchen ein am Auslass vorliegender Druck zum Aufbauen eines treibenden Drucks für das Umkehrosmose-Verfahren und/oder die Na- nofiltration nutzbar ist. Dadurch ist ein erforderlicher Energieeinsatz reduzierbar.
In Weiterbildung der Erfindung wird zum Erzeugen des Eisbreis das Kältemittel mit dem entzogenen Wasser in einer Mischvorrichtung, insbe- sondere in einer Mischdüse und/oder einem mit unterkühltem Kältemittel befüllten Konzentratbehälter, gemischt. Die Mischdüse weist geeignete Zulaufanschlüsse für das dem Kälteträger entzogene Wasser oder das Kälteträger-Permeat und das Kältemittel auf. Das Wasser oder das Kälteträger-Permeat gefriert aufgrund der tieferen Temperatur des Kältemit- tels, sodass Eispartikel entstehen. Das Gemisch aus den Eispartikeln und dem Kältemittel wird in einer Ausgestaltung wieder dem Speicherbehälter zugeführt. Alternativ oder zusätzlich zu der Mischdüse ist ein mit unterkühltem Kältemittel befüllter Konzentratbehälter mit einem Zulauf für Wasser, den Kälteträger oder das Kälteträger-Permeat und einem Ablass für Eisbrei und/oder Eispartikel als Mischvorrichtung vorgesehen.
In vorteilhaften Ausgestaltungen wird dem Konzentratbehälter im Betrieb kontinuierlich Wasser oder das Kälteträger-Permeat zugeführt und Eisbrei und/oder Eispartikel entnommen. Die in dem Konzentratbehälter erzeugten Eispartikel ordnen sich aufgrund des Dichteunterschieds übli- cherweise oberhalb des flüssigen Gemischs aus Kälteträger-Permeat und Kältemittel an. Um eine Entnahme der Eispartikel mit möglichst wenig Flüssigkeit zu ermöglichen, wird der erzeugte Eisbrei daher vorzugsweise in einem oberen Bereich entnommen. Der Konzentratbehälter weist zur Entnahme von Eisbrei in einer Ausgestaltung zu diesem Zweck einen geeigneten Auslass in einem Deckenbereich auf. Ein derart gestalteter Konzentratbehälter wird in der Anmeldung auch als Eisbreiüberlauf bezeichnet.
Ein Befüllen des Konzentratbehälters erfolgt in einer Ausgestaltung im Betrieb zur Erzeugung von Eisbrei kontinuierlich, d.h. das durch die Trenneinrichtung erzeugte Kältemittel wird kontinuierlich dem Konzentratbehälter zugeführt. In vorteilhaften Ausgestaltungen erfolgt ein Befüllen des Konzentratbehälters bei einem Starten oder Anfahren der Vorrichtung oder Anlage.
Aufgrund der Entnahme der Eispartikel oder des Eisbreis und der Zufuhr von Wasser oder des Kälteträger-Permeats ändert sich die Konzentration des in dem Konzentratbehälter befindlichen Gemischs. Für eine hohe Eisbildungsrate ist ein großer Konzentrationsunterschied zwischen dem Kältemittel und dem Kälteträger-Permeat vorteilhaft. In anderen Worten, soll das in dem Konzentratbehälter gespeicherte Gemisch einen hohe Konzentration an gefrierpunktverringernden Zusatzstoffen aufweisen. In bevorzugten Ausgestaltungen wird eine Konzentration des Käl- temittels oder des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes im Konzentratbehälter oberhalb eines Schwellwerts gehalten, wobei vorzugsweise bei Unterschreiten des Schwellwerts der Betrieb unterbrochen und dem Konzentratbehälter Kältemittel zugeführt wird. Das zugeführte Kältemit- tel wird dabei in einer Ausgestaltung durch die Trenneinrichtung aus einem dem Konzentratbehälter entnommenen Gemisch gewonnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Mischvorrichtung zum Erzeugen der Eispartikel gekühlt wird. Bei einer Erzeugung der Eispartikel wird dem Kältemittel latente Wärme entzogen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Konzentratbehälter und die Kühlvorrichtung in einer Baueinheit integriert. Durch die Kühlung der Mischvorrichtung beim Erzeugen der Eispartikel ist es möglich, einen daraus resultierenden Wärmeeintrag zu kompensieren. Die Kühlung ist insbesondere von Vorteil, wenn die Mischvorrichtung als Konzentratbehälter, vorzugsweise als Eisbreiüberlauf, ausgebildet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Als Teil eines Ausführungsbeispiels beschriebene oder dargestellte Merkmale können ebenso in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine weitere Ausfüh- rungsform der Erfindung zu erhalten.
Die Figuren zeigen schematisch:
Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei. Fig. 3: eine Trenneinrichtung zum Gewinnen eines Kältemittels,
Fig. 4: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei,
Fig. 5: die Vorrichtung gemäß Fig. 4 bei einer Aufkonzentration des
Kältemittels in der Mischvorrichtung; Fig. 6: ein als Eisbreiüberlauf gestalteter Konzentratbehälter für eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 und
Fig. 7: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei.
Figur 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung und Speicherung von Eisbrei 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Speicherbehälter 3 und einen Kühlkreislauf 4. Bei dem Eisbrei 2 handelt es sich um ein zweiphasiges Medium, umfassend Eispartikel und einen flüssigen Kälteträger. In dem Speicherbehälter 3 ist weiter der flüssige Kälteträger 5 angeordnet, wobei sich der Eisbrei 2 aufgrund der geringeren Dichte wie dargestellt oberhalb des Kälteträgers 5 anordnet. Der Kälteträger 5 enthält Wasser und einen gefrierpunktverringernden Zusatzstoff. In vorteilhaften Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Kälteträger 5 um ein Wasser/Glykol-Gemisch, ein Wasser/Ethanol- Gemisch und/oder ein Wasser/Salz-Gemisch. Der Kälteträger 5 wird über einen Ablauf 30 dem Speicherbehälter 3 entnommen und dem Kühlkreislauf 4 zugeführt. Der Kühlkreislauf 4 umfasst eine Pumpe 40, eine Trenneinrichtung 41 , einen Verdampfer 42 und eine Mischvorrichtung 43. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mischvorrichtung 43 außerhalb des Speicherbehälters 3 angeordnet. In anderen Ausgestaltungen sitzt eine Mischvorrichtung in dem Speicherbehälter 3 und/oder im Bereich eines Zulaufs zu dem Speicherbehälter 3.
In der Trenneinrichtung 41 wird dem Kälteträger 5 zumindest ein Teil des Wassers entzogen. In der dargestellten Ausgestaltung ist die Trenneinrichtung als Umkehrosmose-Vorrichtung ausgebildet. Insbesondere bei Einsatz eines Wasser/Glykol-Gemischs als Kälteträger 5 ist ein Entfernen des Wassers aus dem Kälteträger 5 mittels Umkehrosmose mit einer guten Trennleistung möglich. Der treibende Druck wird durch die Pumpe 40 aufgebaut.
Durch die Umkehrosmose wird aus dem Kälteträger 5 ein Konzentrat hergestellt, welches eine höhere Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes aufweist als der Kälteträger 5. Dieses Konzentrat dient als Kältemittel 6. Zum anderen wird ein Kälteträger-Permeat 7 erhalten, welches eine niedrigere Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes aufweist als der Kälteträger 5. Sofern der gefrier- punktverringernde Zusatzstoff ganz entfernt ist, wird als Permeat Wasser erhalten.
Das Kältemittel 6 weist gegenüber dem Kälteträger 5 und gegenüber dem Kälteträger-Permeat 7 eine erhöhte Konzentration des gefrier- punktverringernden Zusatzstoffes auf. Somit weist das Kältemittel 6 gegenüber dem Kälteträger 5 und gegenüber dem in der Trenneinrichtung 41 abgeschiedenen Kälteträger-Permeat 7 einen tieferen Gefrierpunkt auf. Der dargestellte Kühlkreislauf 4 umfasst weiter den Verdampfer 42. In dem Verdampfer 42 wird das Kältemittel 6 bis nahe an den eigenen Gefrierpunkt auf eine Temperatur T_K abgekühlt. Die Temperatur T_K liegt unterhalb des Gefrierpunkts des abgeschiedenen Kälteträger-Permeats 7, insbesondere unterhalb der Temperatur des Kälteträgers 5. Der Verdampfer 42 ist Teil einer Kälteanlage 8.
Das in der Trenneinrichtung 41 abgeschiedene Kälteträger-Permeat 7 wird in der Mischvorrichtung 43 mit dem über den Verdampfer 42 abgekühlten Kältemittel 6 gemischt. Die Mischvorrichtung 43 ist in der dargestellten Ausführungsform als Mischdüse ausgebildet. Das abgeschiedene Kälteträger-Permeat 7 gefriert beim Kontakt mit dem unterkühlten Kältemittel 6 aufgrund der tiefen Temperatur zu Eis, sodass der Eisbrei 2 erzeugt wird. Der Eisbrei 2 wird über einen Zulauf 31 dem Speicherbehälter 3 zugeführt.
Für eine Mischung des unterkühlten Kältemittels 6 und des Kälteträger- Permeats 7 weisen das Kältemittel 6 und das Kälteträger-Permeat 7 im Wesentlichen den gleichen Druck auf. Am Auslass der Trenneinrichtung 41 , insbesondere am Auslass einer als Umkehrosmose-Vorrichtung ausgebildeten Trenneinrichtung 41 , steht das Kältemittel 6 unter erhöhtem Druck. In einer Ausgestaltung ist daher ein nicht dargestelltes Ventil vorgesehen, durch welches das Kältemittel 6 auf den Druck des Kälte- träger-Permeats 7 entspannt wird. Das Ventil ist dabei vor und/oder nach dem Verdampfer 42 angeordnet. In wieder anderen Ausgestaltungen erfolgt eine Entspannung des Kältemittels 6 in der Mischvorrichtung 43. In wieder anderen Ausgestaltungen ist unmittelbar in der Trenneinrichtung 41 ein Ventil, eine Drossel und/oder eine Blende vorgesehen.
Der dargestellte Speicherbehälter 3 weist weiter einen Auslass 32 auf, über welchen der Eisbrei 2 entnehmbar und einem nicht dargestellten Verbraucher zuführbar ist. Über einen Rücklauf 33 ist ein Kälteträger 5 und/oder eine von dem Verbraucher kommende, durch Erwärmen des Eisbreis 2 entstandene Masse wieder dem Speicherbehälter 4 zuführbar. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 und für gleiche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet. Auf eine detaillierte Beschreibung dieser Bau- teile wird verzichtet. Ein für die Trenneinrichtung 41 notwendiger Druck hängt von einem Konzentrationsunterschied des Kältemittels 6 und des Kälteträgers 5 ab. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung 9, durch welche ein am Auslass der Trenneinrichtung 41 im Kältemittel 6 vorliegender Druck zum Auf- bauen eines treibenden Drucks mittels der Pumpe 40 für die Trenneinrichtung 41 nutzbar ist. Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 ist daher bei hohen Konzentrationsunterschieden besonders vorteilhaft. Alternativ ist es auch denkbar, ein Entlastungsventil anstellte der Vorrichtung zur Energierückgewinnung 9 vorzusehen, um den Druck im Kältemittel 6 abzu- bauen. Wieder alternativ ist in anderen Ausgestaltungen vorgesehen, den abgebauten Druck durch weitere Bauteile alternativ oder zusätzlich zu nutzen. Die Vorrichtung zur Energierückgewinnung ist in vorteilhaften Ausgestaltungen als Druckaustauscher, insbesondere umfassend eine Kolbenpumpe ausgebildet. Die Vorrichtung zur Energierückgewinnung 9 und die Pumpe 40 sind in einer Ausgestaltung zumindest teilweise als gemeinsames Bauteil gestaltet.
Fig. 3 zeigt eine Trenneinrichtung 41 zum Gewinnen eines Kältemittels 6 und eines Kälteträger-Permeats 7 aus einem Kälteträger 5. Der Kälte- träger 5 wird einem Kälteträgerbehälter 50 entnommen. Das Kälteträger- Permeat 7 und das Kältemittel 6 werden in einem Permeatbehälter 70 bzw. einem Konzentratbehälter 60 gesammelt.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Eisbrei 2 unter Verwendung des Konzentratbehälters 60 als Mischvorrichtung. Das in dem Konzentratbehälter 60 gesammelte Kältemittel 6 ist mittels einer Kühlvorrichtung 42 auf eine Temperatur T_K abgekühlt, sodass in dem Konzentratbehälter 60 unterkühltes Kältemittel 6 vorliegt.
Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 umfasst einen Kühlkreislauf 4, in wel- chem ein Speicherbehälter 3, die Trenneinrichtung 41 und die als Konzentratbehälter 60 ausgebildete Mischvorrichtung angeordnet sind. Im Betrieb wird dem Speicherbehälter 3 der Kälteträger 5 entnommen und der Trenneinrichtung 41 zugeführt. Durch die Trenneinrichtung 41 wird in einem Umkehrosmose-Verfahren aus dem Kälteträger 5 ein Konzent- rat oder Kältemittel 6 gewonnen, welches eine höhere Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes aufweist als der Kälteträger 5. Das Konzentrat oder Kältemittel 6 wird bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 in dem dargestellten Normalbetrieb der Vorrichtung 1 direkt wieder zu dem Speicherbehälter 3 zurückgeführt. Durch die Trenneinrichtung 41 weiter ein Kälteträger-Permeat 7 gewonnen, welches eine niedrigere Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes aufweist als der Kälteträger 5. Sofern der gefrierpunktverringernde Zusatzstoff ganz entfernt ist, wird Wasser als Permeat erhalten. Das Kälteträger-Permeat 7 wird dem Permeat-Behälter 70 zugeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt in dem Permeat-Behälter 70 eine Vorkühlung mittels einer Kühlvorrichtung 71. Das vorgekühlte Kälteträger-Permeat 7 wird der als Konzentratbehälter 60 ausgebildeten Mischvorrichtung zugeführt, wobei in der Mischvorrichtung das Kälteträ- ger-Permeat 7 mit dem unterkühlten Kältemittel 6 zur Erzeugung von Eispartikeln gemischt wird. Ein Massenstrom des Kälteträger-Permeats 7 zu der als Konzentratbehälter 60 ausgebildeten Mischvorrichtung ist dabei so gewählt, dass ein möglichst hoher Anteil an Kälteträger- Permeat 7 in Eispartikel umgewandelt wird.
Bei einer Erzeugung der Eispartikel in dem Konzentratbehälter 60 wird dem Kältemittel latente Wärme entzogen. In der dargestellten Ausgestaltung weist der Konzentratbehälter 60 daher eine Kühlvorrichtung 42 auf, durch welche auch während der Erzeugung der Eispartikel das Kältemittel 6 gekühlt wird.
Die in der als Konzentratbehälter 60 ausgebildeten Mischvorrichtung gebildeten Eispartikel werden der Mischvorrichtung entnommen und wieder dem Speicherbehälter 3 zugeführt. In dem Speicherbehälter 3 befindet sich so ein Gemisch aus Wasser und dem gefrierpunktverringernden Zusatzstoff in verschiedenen Aggregatzuständen. Wie schematisch dargestellt, wird ein entstandener Eisbei 2 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem oberen Bereich der als Konzentratbehälter 60 ausgebildeten Mischvorrichtung entnommen. Dadurch ist es möglich, den Anteil an Flüssigkeit, welcher mit den Eispartikel entnommen wird, in dem Eisbrei 2 niedrig zu halten.
Eine Eisbildungsrate in dem Konzentratbehälter 60 hängt unter anderem von einem Konzentrationsunterschied zwischen dem in dem Konzentratbehälter 60 gespeicherten Kältemittel 6 und dem zugeführten Kälte- träger-Permeat 7 ab. Da bei der Erzeugung der Eispartikel das Kälteträ- ger-Permeat 7 nicht vollständig in Eispartikel umgewandelt wird, verändert sich im Betrieb eine Konzentration des Kältemittels 6, genauer ein Anteil des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes. In anderen Worten, die Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes nimmt im Betrieb der Vorrichtung 1 ab.
Sinkt die Konzentration des Kältemittels 6 oder des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes unter einen definierten Schwellwert, so erfolgt in vorteilhaften Ausgestaltungen ein Umschalten der Vorrichtung 1 auf einen in Fig. 5 schematisch dargestellten Betrieb zur Aufkonzentration des Kältemittels 6.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist für eine Aufkonzentration der Speicherbehälter 3 von der Trenneinrichtung 41 und dem Konzentratbehälter 60 ge- trennt. Statt des Kälteträgers 5 aus dem Speicherbehälter 3 wird ein dem Konzentratbehälter 60 entnommenes flüssiges Gemisch 5a der Trenneinrichtung 41 zugeführt. Wie der Kälteträger 5 enthält das Gemisch 5a Wasser und den gefrierpunktverringernden Zusatzstoff. Das Gemisch 5a unterscheidet sich von dem Kälteträger 5 somit allenfalls aufgrund einer Konzentration des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes. Das zugeführte Gemisch 5a wird durch die Trenneinrichtung 41 aufbereitet, wobei Kältemittel 6 und Kälteträger-Permeat 7 gewonnen wird. Das so gewonnene Kältemittel 6 wird dem Konzentratbehälter 60 zuge- führt, sodass die Konzentration des Kältemittels 6 oder des gefrierpunktverringernden Zusatzstoffes in dem Konzentratbehälter 60 erhöht wird. Sobald eine gewünschte Konzentration vorliegt, wird wieder auf den Betrieb der Vorrichtung wie in Fig. 4 dargestellt umgeschaltet. Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer als Konzentratbehälter 60 gestalteten Mischvorrichtung für die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4. Der in Fig. 6 dargestellte Konzentratbehälters 60 weist in einem Deckenbereich einen seitlichen Auslass 61 auf, an welchen sich eine schräg nach unten führende Auslaufrutsche 62 anschließt. Durch die Orientierung der Auslaufrutsche 62 wird eine sich oberhalb des flüssigen Kältemittels 6 bildende Eisschicht (nicht dargestellt in Fig. 6) selbsttätig aufgrund der Schwerkraft abgeführt. Der so gestaltete Konzentratbehälter 60 wird daher auch als Eisbreiüberlauf bezeichnet. Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Eisbrei 2. Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 7 ist ähnlich der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 und für gleiche oder ähnliche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 7 kein Kreislauf vorgesehen. Stattdessen wird ein Kälteträger 5 einem Gemischbehälter oder Kälteträgerbehälter 50 entnommen und der Trenneinrichtung 41 zugeführt. Ein erzeugter Eisbrei 2 wird in einem davon getrennt ausgebildeten Speicherbehälter 3 gesammelt. Durch die Trenneinrichtung 41 wird in einem Umkehrosmose-Verfahren aus dem Kälteträger 5 ein Konzentrat oder Kältemittel 6 hergestellt, welches bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 7 in dem dargestellten Betrieb direkt dem Speicherbehälter 3 zugeführt wird. Zum anderen wird ein Kälteträger-Permeat 7 hergestellt. Das Kälteträger-Permeat 7 wird in dem Permeat-Behälter 70 zwischengespeichert und gekühlt. Ein Ablauf des Permeat-Behälters 70 ist mit einer als Konzentratbehälter 60 ausgebildeten Mischvorrichtung zur Erzeugung des Eisbreis 2 gekoppelt. Der Konzentratbehälter 60 ist in einer Ausgestaltung als Eisbreiüberlauf mit einer Auslaufrutsche, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfassend ein Erzeugen eines Kältemittels 6 durch Entfernen des Wassers aus dem als Kälteträger 5 eingesetzten Gemisch entfällt die Notwendigkeit eines Sekundärkältemittels, beispielsweise eines Thermoöls, um die zu speichernde Kälte dem Kälteträger 5 zuzuführen. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren umweltfreundlicher als herkömmliche Verfahren. Energetisch ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls günstiger als herkömmliche Ver- fahren, da der Wärmeübergang des als Kältemittel verwendeten Ge- mischs, insbesondere eines Wasser/Glykol-Gemischs besser ist als derjenige von Thermoöl.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung von Eisbrei (2) umfassend Eispartikel und einen flüssigen Kälteträger (5), wobei der Kälteträger (5) Wasser und einen gefrierpunktverringernden Zusatzstoff enthält, und wobei Eispartikel durch direkten Kontakt von Wasser (7) und/oder flüssigem Kälteträger (5) mit einem flüssigen Kältemittel (6) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (6) aus dem Kälteträger (5) gewonnen wird, indem dem Kälteträger (5) Wasser zumindest teilweise entzogen wird, das aus dem Kälteträger (5) gewonnene Kältemittel (6) auf eine Temperatur T_K gekühlt wird, welche unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträgers (5) liegt, und das unterkühlte Kältemittel (6) mit Wasser, dem Kälteträger (5) und/oder einem Kälteträger-Permeat (7) zur Erzeugung des Eisbreis (2) gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Kälteträger (5) zur Gewinnung des Kältemittels (6) Wasser in einem Umkehrosmose-Verfahren und/oder mittels Nanofiltration entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Kältemittel (6) nach dem Umkehrosmose-Verfahren und/oder der Nanofiltration vorliegender Druck abgebaut und zum Aufbau eines treibenden Drucks für das Umkehrosmose-Verfahren und/oder die Nanofiltration genutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Eispartikel das unterkühlte Kältemittel (6) mit dem entzogenen Wasser und/oder dem Kälteträ- ger-Permeat (7) einer Mischvorrichtung (43, 60), insbesondere in einer Mischdüse und/oder einem mit unterkühltem Kältemittel (6) befüllten Konzentratbehälter (60), gemischt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb dem Konzentratbehälter kontinuierlich Wasser oder das Käl- teträger-Permeat (7) zugeführt und Eisbrei (2) und/oder Eispartikel entnommen wird/werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration des Kältemittels (6) im Konzentratbehälter oberhalb eines Schwellwerts gehalten wird, wobei vorzugsweise bei Unterschreiten des Schwellwerts der Betrieb unterbrochen und dem Konzentratbehälter Kältemittel (6) zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Misch Vorrichtung (43, 60) zum Erzeugen der Eispartikel gekühlt wird.
8. Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei (2) umfassend Eispartikel und einen flüssigen Kälteträger (5), wobei der Kälteträger (5) Wasser und einen gefrierpunktverringernden Zusatzstoff enthält, umfassend eine Mischvorrichtung (43, 60), mittels welcher die Eispartikel durch direkten Kontakt von Wasser und/oder Kälteträger (5) mit einem flüssigen Kältemittel (6) erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (41 ) vorgesehen ist, durch welche zur Erzeugung des Kältemittels (6) dem Kälteträger (5) Wasser entziehbar ist, eine Kühlvorrichtung zur Erzeugung von unterkühltem Kältemittel (6) vorgesehen ist, durch welche das Kältemittel (6) auf eine Temperatur T_K kühlbar ist, welche unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, insbesondere unterhalb eines Gefrierpunkts des Kälteträgers (5) liegt, und in der Mischvorrichtung (43, 60) das unterkühlte Kältemittel (6) mit Wasser, dem Kälteträger (5) und/oder einem Kälteträger-Permeat (7) mischbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherbehälter (3) zum Speichern des Eisbreis (2) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf (4) vorgesehen ist, wobei der Speicherbehälter (2), die Trenneinrichtung (41 ), die Kühlvorrichtung (42) und die Mischvorrichtung (43, 60) in dem Kühlkreislauf (4) angeordnet sind.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (41 ) mit der Mischvorrichtung (43, 60) derart gekoppelt ist, dass das durch die Trenneinrichtung erzeugte Kältemittel im Betrieb kontinuierlich der Mischvorrichtung (43, 60) zuführbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (41 ) mit dem Speicherbehälter (2) derart gekoppelt ist, dass das durch die Trenneinrichtung erzeugte Kältemittel im Betrieb dem Speicherbehälter (2) zuführbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (41 ) als Umkehrosmose-Vorrichtung und/oder als Nanofiltrations- Vorrichtung ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung, insbesondere ein Druckaustauscher, vorgesehen ist, durch welche/welchen ein am Auslass der Trenneinrichtung (41 ) vorliegender Druck zum Aufbauen eines treibenden Drucks für die Trenneinrichtung (41 ) nutzbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ischvorrichtung (43) als Mischdüse ausgebildet ist, wobei die Mischdüse Zulaufanschlüsse für das dem Kälteträger entzogenen Wasser oder das Kälteträger-Permeat (7) und das Kältemittel (6) aufweist
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung als ein mit unterkühltem Kältemittel (6) befüllter Konzentratbehälter (60) mit einem Zulauf für Wasser, den Kälteträger (5) oder das Kälteträger-Permeat (7) und einem Ablass für Eisbrei (2) und/oder Eispartikel ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentratbehälter und die Kühlvorrichtung in einer Baueinheit integriert sind.
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