Quelle Nummer 311
Rubrik 28 : TECHNIK Unterrubrik 28.01 : BUECHER
KAELTEANWENDUNG
EDUARD EMBLIK
VERLAG G. BRAUN KARLSRUHE 1971, S. 273-
001 Eis. Einleitung. Sind im Wasser genügend
002 Kristallisationskerne vorhanden, dann gefriert es bei 0^ C.
003 Sehr oft findet jedoch eine Unterkühlung unter den Gefrierpunkt
004 statt, wobei dann die Eisbildung spontan einsetzt und die
005 Temperatur auf 0^ C ansteigt. Je weniger
006 Kristallisationskerne das Wasser enthält und je kleiner diese sind,
007 um so tiefer läßt sich das Wasser unterkühlen, bevor der
008 Gefriervorgang einsetzt. Man kann auch sagen: je tiefer die
009 Unterkühlungstemperatur ist, um so kleinere Kristallisationskerne
010 genügen, damit die Eisbildung beginnt. Durch wiederholtes
011 Gefrieren und Schmelzen eines Wassertropfens verlieren die
012 Kristallisationskerne allmählich ihre Aktivität, und es wird
013 berichtet, daß eine Unterkühlung des flüssigen Wassers bis etwa
014 (math.Op.) 70^ C gelungen sei. Nach anderen Untersuchungen liegt die
015 Grenze der möglichen Unterkühlung bei (math.Op.) 30^ bis (math.Op.) 40^
016 C. Die Wirkungsweise der Kristallisationskerne in unterkühltem
017 Wasser ist verschiedentlich untersucht worden. Daß dabei
018 elektrische Erscheinungen eine Rolle spielen, scheint aus der
019 Tatsache hervorzugehen, daß die Eisbildungsgeschwindigkeit durch
020 künstlich angelegte elektrische Feldstärken von mehr als 250 Volt
021 (math.Op.) cm stark beschleunigt wird. Beim Eis konnten piezoelektrische
022 Eigenschaften nachgewiesen werden. Bekannt ist die räumliche
023 Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren um rund 9 %. Die
024 thermische Ausdehnung von Eis bei Temperaturänderungen ist
025 unterschiedlich in verschiedener Richtung der Kristalle. Der
026 Schmelzpunkt von Eis bzw. der Gefrierpunkt von nicht
027 unterkühltem Wasser sinkt mit zunehmendem Druck (Abb.). Weitere
028 Angaben über die thermischen Eigenschaften von Eis findet man z.B.
029 in (Formel). Beispielsweise lassen sich durch Anwendung von
030 Drücken über ca. 2000 bar verschiedene Modifikationen von Eis
031 künstlich erzeugen, deren Dichte jedoch größer als diejenige des
032 Wassers bei gleichem Druck ist. Da das gewöhnliche Eis (auch
033 als Eis 1 bezeichnet) nur bis zu einem Druck von ca. 2000 bar
034 beständig ist, stellt dies den höchsten Druck dar, der beim
035 Gefrieren von Wasser in einem geschlossenen starren Behälter
036 erreicht werden kann. Die mechanische Festigkeit von Eis ist
037 infolge der Fließfähigkeit des Materials schwierig zu messen.
038 Bei (math.Op.) 5^ C bis (math.Op.) 8^ C kann man ungefähr mit folgenden
039 Werten rechnen: Zugfestigkeit 15 bis 18 bar Druckfestigkeit
040 34 bis 39 bar Scherfestigkeit ca. 7 bar Biegefestigkeit ca.
041 17 bar Über die Haftfestigkeit von Eis an Flächen aus
042 verschiedenem Material sind zahlreiche Untersuchungen ausgeführt
043 worden. Die Adhäsion hängt weitgehend von der Beschaffenheit
044 der Oberfläche ab: sie ist um so geringer, je glatter die
045 Oberfläche ist. Am geringsten ist die Adhäsion an weißem
046 Teflon und an Polyäthylen, am größten an Stahl. Im Wasser
047 gelöste oberflächenaktive Stoffe senken die Adhäsionskraft des
048 Eises wesentlich. Die Haftfestigkeit senkrecht zur Oberfläche
049 ist geringer als die tangentiale Adhäsion. Für letztere wurden
050 bei einer Temperatur von (math.Op.) 15,^ C folgende Werte gemessen:
051 Oberfläche Adhäsion weißer Teflon 4,6 bar
052 rostfreier Stahl 16,4 bar eloxiertes Aluminium 20,9 bar
053 Bei (math.Op.) 16,7^ C waren die Werte um etwa 3 %
054 größer. Die tangentiale Adhäsionskraft von Eis wird beim
055 Abschalten von Wasserleitungen ausgenützt, in denen kein
056 Abschlußorgan vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird ein kurzer
057 Abschnitt der Leitung durch Anlegen von maschinell gekühlten
058 Klemmen eingefroren. Über den Gefreirvorgang bei turbulenter
059 Strömung von Flüssigkeiten durch Rohre, die von außen gekühlt
060 werden, liegt eine theoretische Untersuchung vor.
061 Eiserzeugung. Als Kühlmittel hat das Eis verschiedene
062 Vorteile. Es ist einfach zu handhaben, braucht keine Wartung und
063 ergibt eine konstante Kühlflächentemperatur. Außerdem hat das
064 Eis ein nicht unbedeutendes Kältespeicherungsvermögen, da seine
065 Schmelzwärme 335 kJ (math.Op.) kg beträgt. Infolgedessen wird Eis
066 verschiedentlich zur Kühlung von Lebensmitteln angewendet, z.B.
067 auf Fangschiffen der Fischerei und in Eisenbahn-
068 Kühlwagen. Frisch geerntetes Gemüse wird oft mit fein
069 zerstoßenem Eis bedeckt, um die Temperatur tief zu halten und
070 eine Austrocknung der Produkte zu vermeiden. Auch als Beimengung
071 zum Beton beim Bau von Staudämmen sowie zur direkten Kühlung
072 von Reaktionskomponenten in der chemischen Industrie wird Eis
073 verwendet, worauf in Kapitel 6 näher eingegangen wird. Eis kann
074 künstlich nach zahlreichen Verfahren hergestellt werden.
075 Eisfabriken stehen oft in Verbindung mit großen Kühlhäusern.
076 Vorteilhaft ist eine Errichtung von Eisfabriken direkt an der
077 Verbrauchsstelle, z. B. in Bahnhöfen, in denen
078 Kühlwagen beladen werden, in Häfen zur Beschickung der
079 Fischereiflotte mit Eis usw.. Die verschiedenen Arten von
080 Eis lassen sich grundsätzlich in Blockeis und Kleineis einteilen.
081 Im nachfolgenden werden nur die hauptsächlich angewendeten
082 Eisarten und ihre Herstellungsverfahren besprochen.
083 Blockeis. Tauchgefrieren in Sole. Blockeis wird
084 gewöhnlich in etwa 1 m langen Blechgefäßen, den sog.
085 Eiszellen, erzeugt. Diese haben einen der Form des gewünschten
086 Eisblocks entsprechenden rechteckigen oder quadratischen
087 Querschnitt. Die Eiszellen werden bis zu einer gewissen Höhe
088 mit Wasser gefüllt und in einen als Eiserzeuger oder Eisgenerator
089 bezeichneten Solebehälter getaucht. Der Eiserzeuger, dessen
090 Prinzip aus Bild 162 hervorgeht, ist mit einem
091 Kältemittelverdampfer zur Kühlung der Sole versehen. Ein
092 eingebautes Rührwerk sorgt für eine Umwälzung der Sole,
093 wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. Die
094 Solegeschwindigkeit im Eiserzeuger beträgt bis zu etwa 0,25 m
095 (math.Op.) s. Im Sinne einer guten Wärmeübertragung sollte der
096 Solespiegel mindestens 5 cm höher liegen als die Eisoberfläche in
097 der Zelle. In Europa werden meistens Blöcke zu je 25 kg bzw.
098 12,5 kg hergestellt. Die Eiszellen sind unten schmäler,
099 damit die Eisblöcke nach dem Lostauen leichter aus den Zellen
100 rutschen. Bei einer lichten Höhe von 1101 mm haben die normalen
101 Eiszellen folgende lichte Querschnitte: Für Blöcke zu 25
102 kg oben 190 (math.Op.) 190 mm, unten 160 (math.Op.) 160 mm Für Blöcke zu 12,
103 5 kg oben 190 (math.Op.) 110 mm, unten 160 (math.Op.) 80 mm Wegen der
104 korrosiven Wirkung der Sole sind die aus gewöhnlichem Stahlblech
105 hergestellten Eiszellen verbleit. Aus rostfreiem Stahl
106 hergestellte Eiszellen werden ebenfalls angewendet. Nachdem das in
107 die Eiszellen gefüllte Wasser durchgefroren ist, werden die
108 Zellen aus dem Eiserzeuger herausgehoben und kurz in lauwarmes
109 Wasser getaucht. Dadurch werden die Eisblöcke von den Zellen
110 losgetaut und rutschen leicht aus der Zelle, wenn diese gekippt
111 wird. Anstatt dem Eintauchen kann man die Zellen mit Wasser
112 berieseln (Formel). In industriellen Blockeisanlagen sind die
113 Eiszellen durch Rahmen zu Reihen zusammengefaßt, die mit Hilfe
114 eines Laufkrans nach dem Füllen in den Eiserzeuger gesenkt und
115 nach Beendigung des Gefriervorganges aus diesem gehoben werden.
116 Nach dem Lostauen der Eisblöcke wird die Zellenreihe auf einen
117 als Eisrutsche bezeichneten geneigten Tisch mit den offenen
118 Zellenenden nach unten herabgesenkt. Die Eisblöcke rutschen aus
119 den Zellen und können leicht entnommen werden. Die Gefrierzeit
120 von Eisblöcken läßt sich berechnen. Unter der vereinfachenden
121 Voraussetzung, daß das zu gefrierende Wasser bereits bis auf den
122 Gefrierpunkt abgekühlt ist, gilt: (Formel) (*yt Gefrierzeit[ h
123 ], *yj Temperaturdifferenz zwischen Gefrierpunkt und mittlerer
124 Soletemperatur[ grd ], b Länge der kleineren
125 Querschnittskante des Eisblockes am Kopfende[ m ]). Die
126 Konstanten A und B hängen ab vom Seitenverhältnis des
127 Blockquerschnittes. Für quadratischen Querschnitt ist A (math.Op.)
128 3120 und B (math.Op.) 0,036; für rechteckigen Querschnitt mit dem
129 Seitenverhältnis 1 (math.Op.) 2 ist A (math.Op.) 4540 und B (math.Op.) 0,026.
130 Durch Vorkühlen des Gefrierwassers vor dem Einfüllen in die
131 Zellen wird die Gefrierzeit nur unwesentlich abgekürzt, da die
132 Wärmeübertragung vom Wasser an die Eiszellenwände um so besser
133 ist, je höher die Wassertemperatur ist. Der Kältebedarf setzt
134 sich zusammen aus der reinen Gefrierwärme des Wassers zuzüglich
135 Vorkühlwärme bis auf den Gefrierpunkt und der Nachkühlwärme
136 des Eisblockes bis annähernd auf die Soletemperatur. Hinzu
137 kommen noch die Abkühlwärme der Eiszellen sowie die verschiedenen
138 Verluste im Eiserzeuger (Wärmedurchgang, Rührwerksarbeit usw.).
139 Insgesamt ergibt sich praktisch ein Kältebedarf von 460
140 bis 670 kJ/kg Eis, wobei der kleinere Wert für Eiserzeuger
141 mit einer mittleren stündlichen Eisproduktion von 500 kg gilt,
142 während sich der größere Grenzwert auf Eiserzeuger mit nur 5 kg
143 (math.Op.) h Eisleistung bezieht. Beim Gefrieren werden die im Wasser
144 gelösten Mineralsalze ausgeschieden, wodurch eine Trübung im
145 Eis entsteht. Außerdem ist der Eisblock von winzigen
146 Luftbläschen durchsetzt, da die im Wasser gelöste Luft
147 ebenfalls beim Gefrieren ausgeschieden wird. Infolgedessen erhält
148 man beim Gefrieren von nicht vorbehandeltem Wasser ein milchig-
149 weißes Eis, welches als Matteis oder Trübeis bezeichnet wird.
150 Wird das Wasser in den Eiszellen während des Gefriervorganges
151 bewegt, dann steigen die ausgeschiedenen Luftbläschen hoch, und
152 das Eis wird ziemlich gut durchsichtig; es wird als Klareis
153 bezeichnet. Gutes Klareis läßt sich nur aus Wasser herstellen,
154 welches nicht mehr als 0,01 % Mineralsalze enthält. Die
155 gelösten Salze wandern während des Gefriervorganges nach dem
156 Inneren der Eiszelle und ergeben dort einen trüben Kern des
157 Eisblockes. Man kann diesen Kern mit Hilfe einer Pumpe absaugen,
158 bevor er gefroren ist und durch reines Wasser ersetzen. Fügt
159 man diesem Wasser fein zerstoßenes Eis bei, so wird die
160 Gefrierzeit abgekürzt. Das Bewegen des Gefrierwassers geschieht
161 zweckmäßigerweise durch Einblasen von Luft in die Eiszellen.
162 Dies kann entweder nach dem Niederdruckverfahren oder nach dem
163 Hochdruckverfahren geschehen. Beim Niederdruckverfahren taucht
164 man die Luft-Einblasrohre von oben in die Eiszellen. Diese
165 Rohre müssen natürlich herausgezogen werden, bevor der Block bis
166 zum Kern durchgefroren ist. Beim Hochdruckverfahren wird die
167 Luft von unten in die Zelle eingeblasen. Die Zellen haben am
168 Boden eine kleine Öffnung, die in fest angebaute
169 Luftverteilrohre mündet. Durch diese wird den Zellen
170 komprimierte Luft von ca. 2 bar zugeführt. Die Luft muß
171 vorher getrocknet werden, bis ihr Taupunkt unterhalb der
172 Soletemperatur liegt, da sonst die Einblasöffnungen am
173 Zellenboden zufrieren. Das Trocknen der Druckluft geschieht
174 folgendermaßen: Zuerst wird atmosphärische Luft auf etwa 3 bar
175 komprimiert, danach in einem Druckluftkühler durch Sole aus dem
176 Eiserzeuger abgekühlt und schließlich auf den Enddruck von 2 bar
177 entspannt. Wenn der Teildruck des Wasserdampfes nach der
178 Abkühlung etwa dem Sättigungswert entspricht, dann sinkt er bei
179 der Entspannung proportional dem Gesamtdruck auf 2 (math.Op.) 3 des
180 Sättigungswertes. Vollkommen durchsichtiges Eis läßt sich nur
181 aus vollständig entsalztem und entlüftetem Wasser herstellen; es
182 wird als Kristalleis bezeichnet. Die Gefrierzeit ist bei dem oben
183 beschriebenen konventionellen Verfahren ziemlich lang; sie
184 beträgt z. B. für einen 25 kg Eisblock bei einer
185 Soletemperatur von (math.Op.) 7^ C rund 19 h. Man hat daher nach
186 Möglichkeiten gesucht, den Gefrierprozeß zu beschleunigen. Wie
187 aus Gl. (246) hervorgeht, besteht ein Weg hierzu in einer
188 Vergrößerung der Temperaturdifferenz, d. h. in einer
189 Senkung der Soletemperatur. Da jedoch die Verdampfungstemperatur
190 immer um etwa 5 bis 6 Grad tiefer liegt als die Soletemperatur,
191 wird die Kälteerzeugung bei tiefen Soletemperaturen
192 unwirtschaftlich. Außerdem werden die Eisblöcke bei der
193 Anwendung tiefer Soletemperaturen bei diesem Gefrierverfahren
194 brüchig, was auf die ungleiche Gefriergeschwindigkeit von
195 Randpartien und Kern zurückzuführen sein mag. Eine weitere
196 Möglichkeit zur Verkürzung der Gefrierzeit besteht darin, daß
197 man die Eisblöcke nicht ganz durchfriert, da die
198 Gefriergeschwindigkeit nach innen zu immer geringer wird.
199 Verzichtet man z. B. auf die letzten 10 % des
200 Zelleninhaltes, dann wird die Gefrierzeit eines 25 kg Blockes
201 bereits um 1 (math.Op.) 3 kürzer. Wesentlich schneller arbeiten jedoch
202 die Gefrierverfahren, bei welchen die Eisblöcke durch die
203 Wirkung geeigneter Kühlvorrichtungen auch von innen nach außen
204 gefroren werden. Gefrieren durch direkte
205 Kältemittelverdampfung. Kühlt man die Eiszellen durch
206 verdampfendes Kältemittel, dann beträgt die Gefrierzeit bei
207 gleicher Verdampfungstemperatur nur noch etwa die Hälfte,
208 verglichen mit der in Sole getauchten Zelle. Ausgehend von der
209 Tatsache, daß der Kern am langsamsten gefriert, werden bei dem
210 als Rapid-Ice bezeichneten Gefrierverfahren
211 Verdampferrohre in die Eiszellen eingeführt, so daß der Block
212 auch von innen her gefriert. Die Eiszellen sind doppelwandig
213 ausgeführt, wobei im Zwischenraum das Kältemittel verdampft.
214 Bild 165 zeigt das Prinzip einer derartigen Eiszelle mit nur einem
215 einzigen Verdampferrohr in der Mitte, wie es ursprünglich beim
216 Rapid-Ice-Verfahren der Fall war. Die doppelwandige
217 Eiszelle ist oben und unten offen. Am unteren Ende befindet sich
218 ein Deckel, der durch ein Gegengewicht an den Zellenrand
219 gedrückt wird. Vor Beginn des eigentlichen Gefriervorganges wird
220 etwas Wasser in die Eiszelle gegeben, wonach der Deckel dicht
221 anfriert. Ist der Eisblock durchgefroren, dann werden die
222 Verdampferräume, nach Ablassen des flüssigen Kältemittels in
223 einen Behälter, mit der Kondensatorseite der Kälteanlage
224 verbunden. Der Eisblock taut rasch los und rutscht nach unten, wo
225 er von einer geeigneten Vorrichtung aufgefangen wird. Schon bei
226 dieser einfachen Anordnung beträgt die Gefrierzeit eines 25-kg
227 -Blockes bei (math.Op.) 15^ C mittlerer Verdampfungstemperatur etwa
228 4 h. Dadurch, daß man die Eiszellen mit 5 Verdampferrohren
229 ausrüstet, gelingt es, die Gefrierzeit noch weiter herabzusetzen.
230 In diesem Falle wächst die Eisschicht gleichzeitig von mehreren
231 Seiten her. Die Gefrierzeit eines 25-kg-Eisblockes
232 beträgt dann bei einer Verdampfungstemperatur des Ammoniaks von
233 (math.Op.) 18^ C nur noch rund 1 1 (math.Op.) 2 h. Nach dem gleichen
234 Verfahren lassen sich auch größere Eisblöcke herstellen, wenn
235 man die Eiszellen mit einer entsprechend größeren Anzahl von
236 Gefrierrohren versieht. Die größten, nach diesem Verfahren
237 arbeitenden Eiszellen sind für Blockgewichte von 185 kg vorgesehen.
238 Durch Einblasen von Luft läßt sich auch Klareis herstellen.
239 Nach dem Rapid-Ice-Verfahren werden Blockeisanlagen für
240 Tagesleistungen bis zu 600000 kg gebaut. Kleine Anlagen lassen
241 sich transportabel gestalten, indem sie z. B. auf
242 Eisenbahnwagen oder auf Lastwagenanhänger gestellt werden. Die
243 Möglichkeiten für eine Automatisierung des Betriebes derartiger
244 Blockeisanlagen sind untersucht worden. Bei einem anderen
245 Verfahren werden die Eisblöcke ohne Eiszellen hergestellt. In
246 den Boden eines wassergefüllten Behälters sind Verdampferrohre
247 dicht eingebaut, die senkrecht nach oben in das Wasser hereinragen.
248 Durch geeignete Anordnung von je 8 Vardampferrohren wird
249 erreicht, daß sich um diese ein nahezu quadratischer Eisblock
250 bildet (Bild 167). Die Gefrierzeit für 25-kg-
251 Eisblöcke beträgt 3 h bei einer Verdampfungstemperatur des
252 Kältemittels von(math.Op.) 10^ C. Sind die Eisblöcke fertig
253 gefroren, dann werden die Verdampferrohre mit dem Kondensator der
254 Kälteanlage verbunden. Die Eisblöcke tauen dann von den Rohren
255 los und schwimmen im Wasserbehälter auf. Schnellgefrieren
256 durch Solekühlung. Die für direkte Ammoniakverdampfung
257 vorgesehenen doppelwandigen Eiszellen müssen für einen Druck von
258 20 bar ausgelegt werden; sie sind daher teuer und schwer. Man
259 gelangt zu wesentlich einfacheren und billigeren Eiszellen, wenn
260 man diese für eine Kühlung durch Sole vorsieht und gleichzeitig
261 für einen besseren Wärmeübergang sorgt als beim Tauchen der
262 Eiszellen in Sole. Bei dem solegekühlten " Rapid-Ice "
263 -Verfahren ist dies der Fall. Die Eiszellen werden
264 doppelwandig, aber aus dem gleichen leichten Material wie die
265 üblichen Eiszellen, ausgeführt. Durch den Zwischenraum wird
266 Sole gepumpt. Auch die Tauchrohre sind für Soledurchfluß
267 vorgesehen. Man kann diese Eiszellen auch auf der Außenseite mit
268 Sole berieseln, wobei Wärmeübergangszahlen bis zu 850 W (math.Op.) (Formel)
269 erreicht werden, die somit in der gleichen Größenordnung liegen
270 wie bei der direkten Ammoniakverdampfung.
Zum Anfang dieser Seite