DE19509712A1 - Device for cooling and freezing water and other materials, e.g. to block a water line, - Google Patents
Device for cooling and freezing water and other materials, e.g. to block a water line,Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu gung tiefer Temperaturen in Behältern, vorzugsweise zum Einfrie ren von Wasser. Diese Vorrichtung kann mit Hilfe verschiedener Wärmequellen aktiviert und im aktivierten Zustand zu beliebigen Zeiten ohne weitere Energiezufuhr genutzt werden. Sie soll dazu dienen, beispielsweise defekte Wasserrohre und Armaturen durch Einfrieren abzusperren, ohne daß im Nahbereich des Defektes kon ventionelle Absperrvorrichtungen vorhanden sein müssen.The present invention relates to a device for generating low temperatures in containers, preferably for freezing water. This device can be used with various Heat sources activated and in the activated state to any Times can be used without further energy supply. She is supposed to serve, for example, defective water pipes and fittings Shut off freezing without con in the vicinity of the defect conventional shut-off devices must be available.
Bekannt sind Vorrichtungen, mit deren Hilfe geeignete tiefe Tem peraturen beispielsweise durch Zuführung flüssiger Luft oder ähnlicher Kältemittel erzeugt werden. Dabei treten jedoch in der technischen Anwendung vielfältige Probleme auf, die sich aus Gefährdungen für das Bedienungspersonal sowie der sehr starken Beanspruchung und/oder Beschädigung des abgekühlten Materials beispielsweise durch Versprödung ergeben. Als Beispiele für weitere herkömmliche Aggregate zur Erzeugung tiefer Temperaturen können Absorptions- und Kompressionskälte maschinen, Peltierkühler u. a. genannt werden.Devices are known by means of which suitable low tem temperatures, for example by supplying liquid air or similar refrigerants are generated. However, this occurs in the technical application manifold problems arising from Dangers for the operating personnel as well as the very strong ones Stress and / or damage to the cooled material for example, by embrittlement. As examples of other conventional aggregates for production Lower temperatures can cause absorption and compression cooling machines, Peltier coolers and. a. to be named.
Es ist ebenfalls allgemein bekannt, daß chemische Sorbentien und bestimmte mikroporöse Festkörper wie Zeolithe, Aktivkohle u. a. gewisse Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie sorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren können, wodurch die Mög lichkeit der Energiespeicherung über größere Zeiträume gegeben ist. Wenn diese Stoffe geeignete Kältemittel sind, so kann mit tels eines Kühlaggregates bei geeigneter Konzipierung des zuge hörigen Behälters, in dem das jeweilige Kältemittel verdampft, mit dessen Hilfe seiner Umgebung Wärme entzogen werden. Ähnliche Prozesse laufen auch bei der Absorption und der Chemisorption sowie physikalischen Zustandsänderungen (z. B. Eis-Wasser-Dampf) ab. Diese Möglichkeit der Energiespeicherung kann beispielsweise auch zur Klimatisierung von Räumen und Gefäßen genutzt werden.It is also well known that chemical sorbents and certain microporous solids such as zeolites, activated carbon and. a. sorb certain substances while releasing heat energy and Desorb the absorption of thermal energy, making the poss given energy storage over longer periods of time is. If these substances are suitable refrigerants, then with means of a cooling unit with a suitable design of the supplied appropriate container in which the respective refrigerant evaporates, with the help of which heat is extracted from its surroundings. Similar Processes also run in absorption and chemisorption and physical changes in state (e.g. ice-water-steam) from. This possibility of energy storage can, for example can also be used to air-condition rooms and vessels.
Der Stand der Technik ist durch eine Vielzahl von Veröffentli chungen zur Speicherung von thermischer Energie unter Verwendung von Zeolithen und anderen mikroporösen Festkörpern gekennzeich net.The state of the art is published by a large number using thermal energy characterized by zeolites and other microporous solids net.
So wird in DE-41 26 960 ein Sorptionsapparat zum Kühlen und/oder Heizen beschrieben, mit dessen Hilfe entweder Verdamp fungswärme aufgenommen oder Sorptionswärme abgegeben werden kann. In EP-0 091 095 ist dieses Grundprinzip besonders an schaulich dargestellt. Allen bekannten Anordnungen ist gemein sam, daß entweder die beim Sorptionsprozeß entstehende Wärme und/oder die gleichzeitig entstehende Verdampfungswärme vonein ander getrennt genutzt werden. Das ist aus energetischen Gründen auch sinnvoll, da somit beispielsweise die Verdampfungswärme des verwendeten fluiden Mediums der Umwelt entzogen werden und des halb die ausnutzbare Energie bzw. Wärmemenge um den Betrag der Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme größer sein kann. In Firmenschriften (vgl. Fa. Zeo-Tech GmbH: Zeolith Kühl-Boiler) werden die Eigenschaften ausführlich dargestellt. Eine kurze wertende Übersicht zur Kälteanwendung findet sich in Wirt schaftsWoche Nr. 28 (1994), S. 88. Darüber hinaus liegt umfang reiche wissenschaftliche Literatur vor [vgl. A.M. Michel: "Realisierbarkeit eines monovalenten Zeolith/Wasser-Wärmepumpen- Speicherheizgerätes", HLH, 35 (9), 425 (1984) und Passos et al.: "Simulation of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar Energy, 42 (2), 103 (1989)].So in DE-41 26 960 a sorption device for cooling and / or heating, with the help of either vaporization heat or sorption heat can. This basic principle is particularly well known in EP-0 091 095 illustrated clearly. All known arrangements are common sam that either the heat generated during the sorption process and / or the heat of vaporization which arises at the same time are used separately. This is for energetic reasons also useful, since thus, for example, the heat of vaporization of the used fluid medium are removed from the environment and the half the usable energy or amount of heat by the amount of Evaporation or condensation heat can be greater. In company documents (see Zeo-Tech GmbH: Zeolite cooling boiler) the properties are shown in detail. A short evaluative overview of the cold application can be found in the host Society Week No. 28 (1994), p. 88. In addition, there is extensive rich scientific literature [cf. AT THE. Michel: "Feasibility of a monovalent zeolite / water heat pump Storage heater ", HLH, 35 (9), 425 (1984) and Passos et al .: "Simulation of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar Energy, 42 (2), 103 (1989)].
Zur Kühlung der verschiedensten Stoffe vornehmlich durch die Verdampfungswärme sind Veröffentlichungen bekannt, die teilweise auch die Sorption dieser Stoffe, beispielsweise Ammoniak, Wasser oder verschiedene FCKW, auch an mikroporösen Festkörpern behan deln. Unterschiedliche Konstruktionen mit einer Vielzahl von Wirkprinzipien sind bereits bei Planck/Kuprianoff: "Die Klein kältemaschine" Springer Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1960 zu finden.For cooling a wide variety of materials, primarily through the Heat of vaporization is known, some of which are published also the sorption of these substances, for example ammonia, water or various CFCs, even on microporous solids deln. Different designs with a variety of The principles of action are already in place at Planck / Kuprianoff: "The small ones refrigeration machine "Springer Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, Found in 1960.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, die es gestattet, unter Ausnutzung von Adsorptions- und Desorp tionsprozessen eines geeigneten Kältemittels an einem Speicher medium, ohne weitere Energiezufuhr die Abkühlung eines Gegen standes auf technisch notwendige Temperaturen, beispielsweise für das Einfrieren und damit Absperren einer Wasserleitung, zu ermöglichen. The invention has for its object a device for To provide absorption and dissipation of thermal energy, which allows the use of adsorption and desorption tion processes of a suitable refrigerant on a storage tank medium, cooling of a counter without further energy supply stand at technically necessary temperatures, for example for freezing and thus shutting off a water pipe enable.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen bezeichnete Vorrichtung gelöst.This object is achieved by the one specified in the claims Device solved.
Erfindungsgemäß besteht diese Vorrichtung zur Abkühlung aus einem Zeolithbehälter 1, der mit den Verdampfern 8 und 9 über die vakuumdichten Rohrleitungen 6 und 7 sowie die Ventile 2, 3 und 4 verbunden ist. Die Verdampfer 8 und 9 enthalten eine gut wärmeleitfähige Füllung 12 zur Aufnahme des Kältemittels, in die zur Verbesserung des Absaugens des dampfförmigen Kältemittels und damit der erzielbaren Kälteleistung permeable Sammelrohre 11 mit gastechnisch offener Verbindung zu den Vakuumleitungen 6 und 7 eingebettet sind. Die in diesem Beispiel halbschalenförmig getrennten Verdampferkühlaggregate 8 und 9 werden um das einzu frierende Rohr 10 gelegt und geeignet fixiert. Da der Prozeß des Ansaugens des sich ursprünglich in den Verdampfern 8 und 9 be findenden Kältemittels durch den Zeolithbehälter 1 eines Start vakuums bedarf, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vakuumpumpe mit dazugehörigem Ventil 5, um den problemlosen Transport der Einzelkomponenten zum Einsatzort zu ermöglichen. Als Medium zur Kältemittelspeicherung werden vorzugsweise mikro poröse Festkörper, insbesondere Zeolithe, eingesetzt, wobei jedoch auch andere bekannte, geeignete Medien verwendet werden können. Temperaturmeßvorrichtungen und die gegebenenfalls erfor derliche Kältemitteldampfregulierung sind, wie auch die Art der Zuführung des Kältemittels in die Verdampfer, nicht dargestellt. Zur Aktivierung des im Zeolithbehälter 1 angeordneten Zeoliths ist dieser bei hohen Temperaturen zu desorbieren, ein Vorgang, der einer ebenfalls nicht dargestellten Regenerationsvorrichtung bedarf. Je nach verwendetem Zeolith oder ähnlichem Material ent steht während der Aufnahme des Kältemittels im Zeolithbehälter 1 durch Adsorption eine etwa 20 bis 30% größere Wärmemenge als sie mit Hilfe der Verdampf er 9 dem Rohr 10 entzogen werden kann. Diese Wärme ist in geeigneter Weise abzuführen, wodurch die Kälteleistung der Anordnung steigt.According to the invention, this device for cooling consists of a zeolite container 1 , which is connected to the evaporators 8 and 9 via the vacuum-tight pipes 6 and 7 and the valves 2 , 3 and 4 . The evaporators 8 and 9 contain a thermally conductive filling 12 for receiving the refrigerant, in which permeable collecting tubes 11 with an open gas connection to the vacuum lines 6 and 7 are embedded to improve the suction of the vaporous refrigerant and thus the achievable cooling capacity. The evaporator cooling units 8 and 9, which are separated in the form of a half shell in this example, are placed around the pipe 10 to be frozen and are suitably fixed. Since the process of sucking the refrigerant originally in the evaporators 8 and 9 be through the zeolite container 1 needs a start vacuum, the device according to the invention contains a vacuum pump with associated valve 5 to enable the problem-free transport of the individual components to the site. Microporous solids, in particular zeolites, are preferably used as the medium for refrigerant storage, although other known, suitable media can also be used. Temperature measuring devices and the possibly required refrigerant vapor regulation are not shown, as is the way in which the refrigerant is fed into the evaporator. To activate the zeolite arranged in the zeolite container 1 , it must be desorbed at high temperatures, a process which requires a regeneration device, also not shown. Depending on the zeolite or similar material used, there is an approximately 20 to 30% greater amount of heat during the absorption of the refrigerant in the zeolite container 1 by adsorption than it can be removed from the tube 10 using the evaporator 9. This heat must be dissipated in a suitable manner, which increases the cooling capacity of the arrangement.
Die beschriebene Vorrichtung kann nach erfolgter Aktivierung durch die Desorption der verwendeten Zeolithe stationär oder transportabel, beispielsweise zur Erzeugung von Eis zu beliebi gen Zeiten ohne Energiezufuhr eingesetzt werden. Die Startakti vierung am Einsatzort übernimmt dabei eine Vakuumpumpe, deren Aufgabe es ist dafür zu sorgen, daß sich innerhalb des Systems lediglich Kältemittel bzw. Kältemitteldampf befindet.The described device can after activation by the desorption of the zeolites used stationary or portable, for example to produce ice cream at any times without energy supply. The starting acti A vacuum pump takes over the job site The task is to ensure that it is within the system only refrigerant or refrigerant vapor is located.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die folgende Funktions
weise zugrunde:
Für den beispielhaften Verwendungszweck des Einfrierens einer
unter Druck stehenden Wasserleitung, etwa zum Auswechseln eines
defekten Schiebers, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung trans
portabel ausgebildet. Unter der Annahme, daß die Wasserleitung
soweit abgesperrt werden kann, daß durch den einzufrierenden
Rohrabschnitt noch etwa 100 l Wasser mit einer Temperatur von
15°C pro Stunde hindurchfließen, ist eine Kälteleistung von
etwa 10000 kJ, bzw. 2,5 kWh erforderlich.
Wenn in einer Stunde beispielsweise etwa 6 Liter Wasser mit
einer spezifischen Verdampfungswärme von 0,65 kWh/l verdampft
werden können und im Zeolithspeicher 1 adsorbiert werden, ist
die Dimensionierung eines entsprechenden Aggregates umrissen. Es
kann in diesem Beispiel eine Kühlleistung von etwa 4 kWh erwar
tet werden. In dem in Fig. 1 und Fig. 2 skizzierten Beispiel
bedeutet diese Auslegung, daß pro halbschaligem Verdampfer
3 Liter Wasser verdampfen müssen und bei einer zu erwartenden
effizienten Speicherung im Zeolithbehälter von bis zu 15% Was
serbelegung demzufolge eine Masse der Zeolithfüllung von etwa
40 kg erforderlich ist. Um eine momentane Leistung von 6 kW zu
erzielen, wird andererseits wegen der spezifischen Verdampfungs
wärme des Wassers von 2400 kJ/g eine Wassermenge von 2,5 g/s
verdampfen. Das ist bei angestrebten Temperaturen um minus 10°C
möglich, wenn die Oberfläche, aus der das Wasser verdampft, etwa
10 m² beträgt. Daher wird die wegen der begrenzten Oberfläche
der angegebenen Halbschalen nicht ausreichende Fläche einer ein
fachen Wasserschicht durch Einführen des Wassers in eine ther
misch gut leitende Schicht aus beispielsweise Metallwolle 12
entsprechend vergrößert. Nimmt man an, daß der volumetrische
Anfangswassergehalt der genannten Metallwolle etwa 10% beträgt,
so sollte jede Halbschale ein Volumen von etwa 30 Litern aufwei
sen. Bei einem Wasserrohr mit einem Umfang von 40 cm und einer
angenommenen Vereisungslänge von 100 cm beträgt die Dicke der
wasseraufnehmenden Metallwolleschicht demnach etwa 7 cm und kann
etwa 6 kg Wasser aufnehmen. Die in Fig. 1 gezeigten permeablen
Dampfsammelrohre 11 dienen der Vergrößerung des Querschnittes
der Gasführung, der den maximal erreichbaren Wasserdampfmassen
transport und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. die
Kühlleistung entscheidend beeinflußt. Die Vakuumpumpe 5 und das
dazugehörige Absperrventil sind nur nötig, um die Luft aus dem
System nach erfolgtem Zusammenbau zu entfernen. Erst nach dieser
Evakuierung sollte auch das Wasser in die Verdampfer 8 und 9
eingelassen werden. Der Kühlprozeß beginnt mit Öffnen der Ven
tile 2, 3 und 4 und endet, wenn die gesamte Wassermenge aus den
Verdampfern 8 und 9 im Zeolithbehälter 1 adsorbiert ist.
Eine optimierte technische Anordnung unter Verwendung dieses
Prinzips kann bei einer Masse des eingesetzten Zeoliths von ca.
40 kg etwa eine Stunde lang Temperaturen von etwa minus 10 °C
bei einer Leistung von 6 kW erzeugen und ermöglicht damit das
Einfrieren von unter Wasserdruck stehenden Rohrleitungen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel unter Bezug auf Fig. 3
erfolgt die Eisbildung nach ähnlichem Prinzip innerhalb eines
Wasserbehälters oder Rohres, wenn es möglich ist, diese mit
einer geeigneten Öffnung zu versehen. Ein zylindrischer oder
kugelförmiger Hohlkörper 13, dessen Wandung 14 aus einem was
serdampfdurchlässigen, vorzugsweise metallischen Material
besteht, wird in das Rohr 10 eingeführt. Die Verbindung mit dem
Zeolithsystem erfolgt analog wie unter Fig. 1 dargestellt, bei
spielsweise über Leitung 6. Der Prozeß startet wiederum durch
Erzeugen eines Startvakuums mit Hilfe der Vakuumpumpe 5. Dabei
wird Wasser in den Hohlkörper 13 eingesogen und verdampft dort
unter Entzug der Verdampfungswärme aus der Wandung 14 und damit
dem umgebenden Wasser. Die Folge ist eine sehr schnelle Abküh
lung mit nachfolgender Vereisung, wobei jedoch die Verdampfungs
geschwindigkeit und damit die verfügbare Kälteleistung wegen der
begrenzten Oberfläche nach der Eisbildung geringer bleibt als in
dem Beispiel zuvor. Diese Anordnung ist daher besonders zum
schnellen Abkühlen auch größerer Mengen Wassers geeignet. Da das
Kältemittel in diesem Fall lediglich Wasser ist und dem zu küh
lenden Wasser selbst entnommen wird, ist eine entsprechend kon
zipierte Vorrichtung geeignet, auch Trinkwasser hocheffizient zu
kühlen.The device according to the invention is based on the following function:
For the exemplary use of freezing a pressurized water pipe, for example to replace a defective slide, the device according to the invention is designed to be portable. Assuming that the water pipe can be shut off to such an extent that about 100 l of water at a temperature of 15 ° C per hour still flow through the pipe section to be frozen, a cooling capacity of about 10,000 kJ or 2.5 kWh is required. If, for example, about 6 liters of water with a specific heat of evaporation of 0.65 kWh / l can be evaporated in an hour and adsorbed in the zeolite storage 1 , the dimensioning of a corresponding unit is outlined. In this example, a cooling capacity of around 4 kWh can be expected. In the example sketched in Fig. 1 and Fig. 2, this design means that 3 liters of water must evaporate per half-shell evaporator and with expected expected efficient storage in the zeolite container of up to 15% What serbelabe consequently a mass of the zeolite filling of about 40 kg is required. In order to achieve a current output of 6 kW, on the other hand, a water volume of 2.5 g / s will evaporate due to the specific heat of vaporization of the water of 2400 kJ / g. This is possible at the desired temperatures of minus 10 ° C if the surface from which the water evaporates is about 10 m². Therefore, because of the limited surface area of the specified half-shells, the area of a simple water layer is insufficiently increased by introducing the water into a thermally highly conductive layer of, for example, metal wool 12 . Assuming that the volumetric initial water content of the metal wool mentioned is about 10%, each half-shell should have a volume of about 30 liters. With a water pipe with a circumference of 40 cm and an assumed icing length of 100 cm, the thickness of the water-absorbing metal wool layer is accordingly about 7 cm and can absorb about 6 kg of water. The permeable vapor collection tubes 11 shown in FIG. 1 serve to enlarge the cross section of the gas duct which transports the maximum achievable water vapor masses and thus decisively influences the rate of evaporation or the cooling capacity. The vacuum pump 5 and the associated shut-off valve are only necessary to remove the air from the system after assembly. Only after this evacuation should the water be let into the evaporators 8 and 9 . The cooling process begins with the opening of the Ven tiles 2 , 3 and 4 and ends when the entire amount of water from the evaporators 8 and 9 is adsorbed in the zeolite container 1 . An optimized technical arrangement using this principle can generate temperatures of around minus 10 ° C with a power of 6 kW for about an hour with a mass of the zeolite of approx. 40 kg and thus enables pipelines under water pressure to freeze. In a further exemplary embodiment with reference to FIG. 3, ice formation takes place according to a similar principle within a water container or pipe, if it is possible to provide it with a suitable opening. A cylindrical or spherical hollow body 13 , the wall 14 of which is a vapor permeable, preferably metallic material, is inserted into the tube 10 . The connection to the zeolite system is carried out analogously to that shown in FIG. 1, for example via line 6 . The process starts again by generating a starting vacuum with the help of the vacuum pump 5 . In this case, water is sucked into the hollow body 13 and evaporates there by removing the heat of vaporization from the wall 14 and thus the surrounding water. The result is a very rapid cooling with subsequent icing, but the rate of evaporation and thus the available cooling capacity remains lower than in the example above due to the limited surface area after ice formation. This arrangement is therefore particularly suitable for the rapid cooling of large quantities of water. Since the refrigerant in this case is only water and is taken from the water to be cooled, a correspondingly designed device is suitable for cooling drinking water with high efficiency.
BezugszeichenlisteReference list
1 Zeolithbehälter
2 Ventil
3 Ventil
4 Ventil
5 Vakuumpumpe mit Ventil
6 flexible Vakuumleitung
7 flexible Vakuumleitung
8 Kühlkörper
9 Kühlkörper
10 Wasserrohr
11 permeable Gassammelrohre
12 wärmeleitfähige Füllung
13 Hohlkörper
14 permeable Wandung. 1 zeolite container
2 valve
3 valve
4 valve
5 vacuum pump with valve
6 flexible vacuum line
7 flexible vacuum line
8 heat sinks
9 heat sink
10 water pipe
11 permeable gas manifolds
12 thermally conductive filling
13 hollow body
14 permeable wall.
Claims (6)
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| DE19509712A Withdrawn DE19509712A1 (en) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | Device for cooling and freezing water and other materials, e.g. to block a water line, |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105627015A (en) * | 2010-06-15 | 2016-06-01 | 生物膜Ip有限责任公司 | Methods, devices and systems for extraction of thermal energy from a heat conducting metal conduit |
| CN109983287A (en) * | 2016-11-15 | 2019-07-05 | 株式会社电装 | Refrigerating circulatory device |
-
1995
- 1995-03-10 DE DE19509712A patent/DE19509712A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105627015A (en) * | 2010-06-15 | 2016-06-01 | 生物膜Ip有限责任公司 | Methods, devices and systems for extraction of thermal energy from a heat conducting metal conduit |
| CN109983287A (en) * | 2016-11-15 | 2019-07-05 | 株式会社电装 | Refrigerating circulatory device |
| CN109983287B (en) * | 2016-11-15 | 2021-06-11 | 株式会社电装 | Refrigeration cycle device |
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Owner name: STACH, HELMUT, PROF. DR., 12439 BERLIN, DE BACHERT |
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