DE3137290A1

DE3137290A1 - "verfahren und vorrichtung zur waermespeicherung bei niedriger temperatur sowie deren anwendung"

Info

Publication number: DE3137290A1
Application number: DE19813137290
Authority: DE
Inventors: Jean Louis 58270 Saint Benin D'Azy Esteve
Original assignee: Alfa Laval AB
Current assignee: Alfa Laval AB
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1981-09-18
Publication date: 1982-05-19
Anticipated expiration: 2001-09-19
Also published as: IT8123884A0; DE3137290C2; ES505992A0; FR2491607A1; IT1138217B; ES8302898A1; FR2491607B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmespeicherung bei niedriger Temperatur sowie deren Anwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speichern thermischer Energie bei niedriger Temperatur sowie die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung, wobei es sich bei dem Verfahren um ein sogenanntes "Weicheis-Verfahren" handelt.

Die klassischen Verfahren zur Wärmespeicherung bei niedrigenTemperaturen (bei 0⁰C bzw. 273⁰K) basieren auf dem Prinzip der Zustandsänderung (flüssig—»fest) eines in großen Mengen billig verfügbaren Stoffes, nämlich des Wassers, das bei 0⁰C und atmosphärischem Druck zu Eis übergeht. Eine Kühlmaschine, deren Verdampfer im allgemeinen eine Rohrschlange ist, die in ein Wasser enthaltendes Gefäß getaucht wird, erzeugt Kälte durch Verdampfung des in ihr strömenden Kühlmittels. Liegt die Tempe-

"^ ratur des Wassers bei 0⁰C, bildet sich um die Schlange (d.h. auf der Verdampferoberfläche) Eis. Eine Vorrichtung, die die Dicke der Eisschicht mißt, schaltet die Kühlmaschine ab, wenn eine optimale Eismenge erzeugt worden ist. Die Nutzung der so gespeicherten Wärmeenergie

^° erfolgt, indem man das im Behälter nicht als Eis vorliegende Wasser durch einen externen Wärmeaustauscher strö-

men und mit höherer Temperatur in den Behälter zurückkehren läßt. Bei der Berührung mit diesem Wasser, dessen Temperatur höher als O⁰C liegt, wandelt sich das im Behälter vorliegende Eis zu Wasser, wobei es 80 kcal pro Kilogramm Eis aufnimmt.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung basiert zunächst auf dem gleichen Prinzip, d.h. der Wärmespeicherung über eine Zustandsänderung einer Substanz (flüssig

fest) und Wiederherstellung der latenten Schmelzwärme der Substanz während seiner Nutzung im Wärmeaustauscher. Demgegenüber ist das vorliegende Verfahren neuartig, als es sich bei der zur Phasenänderung verwendeten Substanz nicht mehr um Wasser, sondern um eine Mischung aus Wasser und einer anderen Flüssigkeit, insbesondere eine Mischung aus Wasser und Alkohol handelt. Die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzte Vorrichtung ist ebenfalls neuartig dahingehend, daß der Verdampfer der Kühlmaschine und das Gefäß zur Speicherung der Substanz sich von üblichen Anlagen dieser Art unterscheiden.

Die. vorliegende Erfindung hat also zum Hauptziel, ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie bei niedriger Temperatur anzugeben, indem man eine Zustandsänderung des Wassers vom flüssigen zum festen Zustand unter Kühlung beim Kontakt mit dem Verdampfer einer Kühlmaschine erzeugt, wobei dieser Verdampfer in einem das Wasser enthaltenden Gefäß angeordnet ist und das gekühlte Wasser durch einen Wärmeaustauscher außerhalb des die Wasser/Eis-Mischung enthaltenden Gefäßes strömt und danach in dieses Gefäß zurückkehrt, um beim Kontakt mit dem Eis erneut gekühlt zu werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man als Substanz, die die Zustandsänderung erfährt, eine Mischung aus Wasser mit einer anderen Flüssigkeit verwendet, wobei der Gefrierpunkt der Mischung bei Atmosphärendruck uner 0⁰C liegt und sich im Gefäß eine große Anzahl

kleiner Eiskristalle bildet, die miteinander nicht verschmolzen sind, weil eine dünne Schicht der genannten Flüssigkeit sie umgibt und voneinander isoliert. Auf diese Weise wird es möglich, im externen Wärmeaustauscher nicht nur den gekühlten, aber nicht als Eis vorliegenden Wasseranteil zu schicken, sondern auch gekühltes Wasser, das mindestens zum Teil kleine Eiskristalle enthält, die sich in der Einfassung gebildet haben. Man erhält also einen höheren Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers (schneilere Kühlung).

Wie bereits angegeben, kann man mit Vorteil eine Mischung aus Wasser und Alkohol verwenden.

Der Erstarrungspunkt einer Mischung aus Wasser und Alkohol liegt unter 0⁰C; die Vorteile dieses Umstands sind unten ausführlich erläutert. Bei dem verwendeten Alkohol nimmt man vorzugsweise den am leichtesten erhältlichen, d.h. Äthylalkohol; andere verwendbare Alkohole sind Allylalkohol CH₂=CH-CH₂OH, Benzylalkohol CgH₅-C₂OH, Butylalkohol CH₃(CH₂J₂CH₂OH, Propylalkohol CH₃CH₂CH₂OH, Äthylenglypol CH₂OH CH₂OH sowie Propandiol-1,2 CH₃CHOH CH₂OH.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Verdampfer der zum Gefäß gehörenden Kühlmaschine vom Boden der Einfassung gebildet wird, unter den punktweise ein zweiter Boden geschweißt ist, und daß eine Rührmechanik vorgesehen 'ist, deren Flü-

gel die Bodenfläche des Gefäßes überstreichen.

Schließlich ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Kühlen beliebiger fest, flüssiger oder gasförmiger Substanzen sowie zum Schnellkühlen von Milch zur Speicherung derselben bei niedriger Temperatur nach dem Melken.

·*· Eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist im folgenden zur Erläuterung, nicht aber als Einschränkung der Erfindung unter Bezug

auf die Figuren der Zeichnung erläutert. 5

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung als Vertikalschnitt;

Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt auf der Ebene ΙΙ-ΙΓ der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößert dargestellte Einzelheit aus der Fig. 1.

Der Behälter zur Behandlung und Speicherung der Substanz, die ihren Zustand ändern soll (Wasser-Alkohol-Mischung) ist ein vertikal zylindrisches Gefäß mit isoliertem Doppelmantel, wobei das Innengefäß 1 aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen Werkstoff, den das Wasser nicht angreift, und das Außengefäß 2 aus einem beliebigen tragenden Material ausreichender Festigkeit bestehen. Der Raum zwischen den beiden Gefäßen ist mit einem Isolierstoff 3 - beispielsweise eingespritztem Polyurethanschaum - ausgefüllt.

Ein gegebenenfalls isolierter und gegebenenfalls hermetisch dicht abschließender unbeweglicher Deckel 17 schützt das gespeicherte Produkt, erlaubt aber Zugang zu den Innenmechanismen .

Der Boden 4 des Gefäßes, der aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen wärmeleitenden Werkstoff besteht, dient als Austauschfläche zwischen dem den Zustand veränderden Produkt (Flüssigkeit vor bzw. Feststoff plus Flüssigkeit nach der Eisbildung), d.h. gegebenenfalls einer Wasser-Alkohol-Mischung, und dem Kühlmittel der Kühlmaschine. 35

Ein zweiter Boden 5 ist punktweise unter den Boden 4 geschweißt und bildet mit diesem zusammen den Verdampfer

einer zugehörigen Kühlmaschine, d.h. den internen Wärmeaustauscher des Gefäßes, Einige der Schweißpunkte 20 sind in der Fig. 2 als Punkte angedeutet. Die Schweißlinien 22 bilden Hindernisse, die für das Kühlmittel (beispielsweise Freon) eine geeignete Strömungsbahn im Innern des als Verdampfer wirkenden doppelten Bodens herstellen, d.h. eine Strömungsbahn, die den Strömungskreislauf . des Verdampf ers maximal ausnutzt. Das Kühlmittel tritt als Flüssigkeit durch die Leitung 6 ein und als Gas durch die Leitung 7 wieder aus, wobei es Wärme aus dem Produkt im Gefäß abzieht (die Ausbildung des Verdampfers am Boden des Gefäßes 4 kann im Einzelfall auch anders als die hier beschriebene und gezeigte sein).

I^ Eine langsamlaufende Motor-Getriebe-Einheit 8 (beispielsweise 4 bis 10 U/min) dreht eine Welle 18 mit einem Doppelflügel 9, dessen anderes Ende auf dem Gefäßboden mit einem Drehlager 10 abgestützt sein kann. Der Doppelflügel 9 (vergl. Fig. 3) ist dazu gedacht, über die Oberfläche 3_es Verdampfers 4,- 5 zu streichen. Der Abstand (e) zwischen dem unteren Flügelteil und dem Boden 4 des Gefäßes ist so gering wie-möglich, ohne daß die Flügel jedoch den Boden berühren. Die Verspannungen 11 erlauben, die Lage der Flügel 9 einzustellen und während des Rührens des Ge-

fäßinhalts in der Sollage zu halten. Die Motor-Getriebe-Einheit 8 ist auf einem starren Auflager 12 ortsfest gelagert.

Verwendung des gespeicherten Produkts (Eis und Flüssigkeit) 30

Eine Öffnung 13 mit eingepaßtem Maschendrahtsieb 19 im Boden 4 des Gefäßes erlaubt, gegebenenfalls kleine Eiskristalle enthaltende kalte Flüssigkeit über die Leitung 14 abzuziehen^ wobei dä's Eis ganz oder teilweise zurückgehalten wird. Eine nicht gezeigte Pumpe fördert die Flüssigkeit zu einem nicht gezeigten externen Wärmeaustauscher

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(beispielsweise einem Plattenwärmeaustauscher), um durch fühlbare und schließlich latente Wärme eine flüssige, feste oder gasförmige Substanz zu kühlen, die man zur Kältebehandlung in den Wärmeaustauscher einführt (beispielsweise Milch).

Die erwärmte Flüssigkeit kehrt über eine durch den Deckel 17 oder die Lagerung 12 der Motor-Getriebe-Einheit führende Leitung 15 oder auch durch die in diesem Fall hohle Welle 18 der Motor-Getriebe-Einheit in das Gefäß zurück.

Zur Wärmeregelung der Vorrichtung ist ein Thermostat vorgesehen, dessen Kühlelement 16 im unteren Teil auf der Außenfläche des Innengefäßes 1 angebracht ist. Dieser Thermostat erlaubt, den Verdichter der zugehörigen Kühlmaschine abzuschalten, wenn die erfaßte Temperatur unter dem Gefrierpunkt des im Gefäß gespeicherten Produkts liegt.

Arbeitsbeispiel für die Vorrichtung

Mai? füllt eine Mischung aus Wasser und Alkohol (beispielsweise mit 5 Gew.-% Äthylalkohol, Gefrierpunkt bei Atmosphärendruck etwa -2,5°C (270,5⁰K)) in das Behandlungsgefäß und schaltet die Kühlanlage gleichzeitig mit der Motor-Getriebe-Einheit und den Flügeln (8, 18, 19, 11) ein. Hat die Temperatur des flüssigen Produkts -2,5°C erreicht, bildet sich Eis auf dem Verdampfer (Boden des Gefäßes 4). Die so gebildeten Eiszellen haben die Eigenschaft, nicht

miteinander zu verschmelzen, denn sie sind von einer dünnen Alkoholschicht umgeben; außerdem lassen sie sich von den Flügeln 8 sehr leicht von der Verdampfer-Bodenfläche lösen. Die vom Boden abgehobenen Eiszellen steigen zur Oberfläche der Flüssigkeit empor, bis fast die gesamte Mischung aus Wasser und Alkohol zu Eis geworden ist. Dann ist das Gefäß mit schneeartigen Kristallen gefüllt, die

3137290 -ιοί nicht aneinanderhaften. Es findet eine Trennung des Wassers vom Alkohol am Boden des Gefäßes statt, wo die Alkoholkonzentration steigt. Das Fühlelement des Thermostaten 16 stellt in diesem Augenblick eine Temperatur unter -2,5⁰C fest und schaltet die Kühlmaschine ab.

Das kalte flüssige Produkt (Mischung aus Wasser und 5 Gew.-% Alkohol entsprechend dem gewählten Beispiel), das gegebenenfalls kleine Eiskristalle enthält, wird durch das Sieb 13 hindurch in die Leitung 14 gezogen und zum externen Wärmeaustauscher geschickt, wo es die zu behandelnde feste, flüssige oder gasförmige Substanz erwärmt, und kehrt dann in der Leitung 15 zum Behandlungsgefäß zurück. Die Austauschoberfläche zwischen dem zurückkehrenden flüssigen Produkt und den im Gefäß gespeicherten Eiskristallen ist erheblich; die Austrittstemperatur des flüssigen Produkts in der Leitung 14 bleibt nahe dem Gefrierpunkt der Wasser-Alkohol-Mischung, d.h. im gewählten Beispiel -2,5°C.

steigt die Temperatur wieder über den Abschaltpunkt, wobei sie aber noch unter dem Gefrierpunkt bleibt, schaltet Thermostat 16 die Kühlmaschine wieder an.

Vorteile der Erfindung gegenüber den herkömmlichen Verfahren

1. Bei gleicher Leistung können die Anlagekosten niedriger gehalten werden, da die Rohrschlange im Gefäß entfällt; sie wird durch den den Verdampfer bildenden doppelten Boden ersetzt.

2. Bei gleichem Volumen des Behandlungsgefäßes erreicht man eine größere gespeicherte Eismenge, da eine Wasser-Alkohol-Mischung verwendet wird, die kleine Eiskristalle bildet, die leicht zur Oberfläche der Flüssigkeit ansteigen und daher den Boden des Gefäßes schnell freigeben, wo sich dann neue Kristalle bilden können.

3. Da die Temperatur der in den externen Wärmeaustauscher geschickten Flüssigkeit niedriger (-2,5⁰C anstatt O⁰C) ist, wird ein verderbliches Produkt wie Milch sehr schnell auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt als bei den herkömmliehen Verfahren, was dazu führt, daß mit größerer Wahrscheinlichkeit die Keime vernichtet oder unschädlich gemacht werden, die es enthält; weiterhin ist die Leistung der Kühlmaschine geringer, die aufgebracht werden muß, um das gespeicherte verderbliche Produkt auf niedriger Temperatur zu halten.

4. Das Eis schmilzt schneller, da die Austauschoberfläche zwischen dem Eis und der in das Gefäß zurückkehrenden aufgewärmten Flüssigkeit infolge der Kleinheit der Eiskristalle im vorliegenden Verfahren viel größer ist. Die in den externen Wärmeaustauscher zu schickende Flüssigkeit wird also schneller wieder abgekühlt.

5. Es ist möglich, Wärmeenergie bei unterschiedlichen Temperaturen zu speichern, indem man den Anteil der dem Wasser beigemischten Flüssigkeit (Alkohol) und damit den

²^ Gefrierpunkt der Mischung ändert.

Anwendungsbeispiel·

Eine besonders interessante Anwendung für die vorliegende ^5 Erfindung ist das Kühlen von Milch im Erzeugerbetrieb nach dem Schne^kuhlVerfahren. Die aus der Sammelleitung kommende Milch hat eine Temperatur von 35°C. In einem Wärmeaustauscher (beispielsweise einem Plattenwärmeaustauscher der Fa. Alfa-Laval, France) gibt sie ihre Wärme sehr

schnell (die Verweilzeit im Wärmeaustauscher liegt in der Größenordnung von wenigen Sekunden) an die aus dem Gefäß der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kommende kalte Zwischenflüssigkeit (beispielsweise -2,5°C) ab und kommt am Milchspeicher mit einer Temperatur unter 4⁰C an, die dann mit einer Kühlmaschine geringer Leistung leicht aufrechterhalten werden kann.

1 Das hier vorgeschlagene Verfahren läßt sich in anderen Formen und mit anderen Wärmeaustauschern desgleichen für die Kühlbehandlung zahlreicher anderer Stoffe als Milch anwenden, wobei diese flüssig, fest oder gasförmig sein

5 können.

Claims

Patentansprüche

/ !.!Verfahren zur Wärmespeicherung bei niedriger Temperatur, Stndem man eine Zustandsänderung des Wassers vom flüssigen
° zum festen Zustand durch Berührung mit dem Verdampfer einer Kühlmaschine herbeiführt, der sich in einem das Wasser
enthaltenden Behälter befindet, wobei das gekühlte Wasser in einen Wärmeaustauscher außerhalb des die Wasser-Eis-Mischung enthaltenden Behälters geschickt und dann in diesen zurückgeführt wird, um sich bei der Berührung mit dem Eis erneut
abzukühlen, dadurch gekennzeichnet, daß man als Substanz,
die die Zustandsänderung erfährt, eine Mischung aus Wasser
und einer anderen Flüssigkeit verwendet, wobei der Gefrierpunkt der Mischung bei Atmosphärendruck unter O⁰C liegt und sich im Gefäß zahlreiche kleine Eiskristalle bilden, die
miteinander nicht verschmelzen, weil von einer dünnen
Schicht der genannten Flüssigkeit umgeben sind, die sie
voneinander isoliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem externen Wärmeaustauscher gekühltes Wasser zuschickt, das mindestens zum Teil im Behälter gebildete kleine Eiskristalle enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte andere Flüssigkeit ein Alkohol ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Alkohol aus der Gruppe Äthylalkohol, Allylalkohol, Benzylalkohol, Butylalkohol, Propylalkohol, Äthylenglocol und Propandiol-1,2 wählt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung aus Wasser und 5 Gew.-% Äthylalkohol verwendet, deren Gefrierpunkt bei Atmosphärendruck etwa -2,5 % beträgt.
6. Vorrichtung zürn Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer der dem Behälter zugeordneten Kühlaschine vom Boden des.'Behälters sowie von einem punktweise unter diesen geschweißten zweiten Boden gebildet wird und daß eine Rühreinrichtung mit Flügeln vorgesehen ist, die über den Boden des Behälters streichen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Behälters ein Thermostat vorgesehen ist, der die Kühlmaschine steuert, wobei er sie abschaltet, wenn

^ die erfaßte Temperatur unter der Gefriertemperatur der Mischung aus Wasser und der jeweils anderen Flüssigkeit liegt, und sie wieder einschaltet, wenn die Temperatur höher als die Abschalttemperatur, aber niedriger als der Gefrierpunkt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schweißlinien zwischen den beiden Böden des Be-

hälters im Sinne von Hindernissen ausgebildet sind, die die Strömungsbahn des Kühlmittels über die gesamte Ausdehnung des Verdampfers bestimmen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel an der Drehwelle der Rührvorrichtung über Verspannungen befestigt sind, mit denen sich die Höhe der Flügel über der Verdampferoberfläche einstellen läßt.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis zur Kältebehandlung einer beliebigen, festen, flüssigen oder gasförmigen Substanz im genannten externen Wärmeaustauscher und insbesondere zum Schnellkühlen von Milch nach dem Melken.