DE102006058025A1

DE102006058025A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung

Info

Publication number: DE102006058025A1
Application number: DE102006058025A
Authority: DE
Inventors: Norbert Fleck
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US8807130B2; WO2008068008A1; US20100126498A1; EP2097685A1; CN101573567A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung (2) beschrieben, die mit einer nicht oder nur begrenzt regelbaren Energiequelle betrieben werden kann. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung ein Wärmeträgermedium und einen Wärmespeicher (7).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung.
Energiekosten für das Betreiben von Anlagen sind ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor, der bei Verwendung fossiler Brennstoffe darüber hinaus auf lange Sicht nicht kalkuliert werden kann. Es sind deshalb bereits auf den verschiedensten Gebieten Anstrengungen unternommen worden, die benötigte Energie aus anderen, alternativen Quellen zu beziehen, wie beispielsweise aus einer Solaranlage oder einer Verbrennungsanlage für nachwachsende Rohstoffe. Bislang wurden diese Energiequellen jedoch nur dann eingesetzt, wenn es darum ging, Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zu erwärmen. So beschreibt beispielsweise die EP 1 705 242 die Verwendung von Sonnenkollektoren zum Abdecken zumindest eines Teils des Wärmeenergieverbrauchs einer Brauereianlage, insbesondere zum Maischen, Läutern und/oder Würzekochen, aber auch zum Reinigen der Anlage oder zum Betreiben einer sorptiven Kälteanlage. Die Anlage wird mit Wasser als Wärmeträgermedium betrieben, das gleichzeitig als Prozesswasser dient und in einem Heißwasser-Wärmespeicher gespeichert wird. Mit dieser Anlage sind jedoch Vorlauftemperaturen von maximal 180 Grad Celsius möglich.
Verpackungseinrichtungen, insbesondere in Form der bekannten Schrumpfeinrichtungen, wurden jedoch bislang meist elektrisch bzw. vereinzelt auch mit Erdgas beheizt. Beispiele von Verpackungseinrichtungen in Form von Schrumpfeinrichtungen sind beispielsweise der DE 35 16 609 , der DE 35 43 943 , der EP 1 288 129 oder der EP 678452 zu entnehmen. In Verpackungsanlagen, beispielsweise beim Erwärmen der Luft in Schrumpfeinrichtungen muss jedoch mit einer weit höheren Temperatur gearbeitet werden als beim Erwärmen von Prozesswasser oder für Heizungszwecke, und es ist eine stärkere Kontrolle der Temperatur notwendig, was bisher bei Verwendung von nicht oder nur begrenzt regelbaren Energiequellen, wie dies bei einer Wärmeerzeugung in Solar- oder Verbrennungsanlagen der Fall ist, als nicht praktikabel angesehen wurde.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, den Einsatzbereich alternativ erzeugter Energie zu erweitern.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich alternative Energien, wie beispielsweise Sonnenenergie oder Verbrennungsenergie aus nachwachsenden Rohstoffen oder dergleichen, doch zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung eignen.
Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Erzeugung der Wärme für eine Schrumpfanlage.
Der Einsatzbereich wird erhöht durch die Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers.
Zum Erreichen der erforderlichen hohen Temperaturen und um sicher zu stellen, dass die bereitgestellten Vorlauftemperaturen im wesentlichen konstant gehalten werden können, wird bevorzugt ein Phasenwechselmaterial eingesetzt, das gezielt nach der bereitzustellenden Temperatur ausgewählt werden kann.
Zum Bereitstellen höhere Temperaturen wird bevorzugt ein Metall eingesetzt, wobei sich für Schrumpfanlagen besonders Bismut eignet. Denkbar ist auch die Verwendung von Salzen, deren Schmelzpunkt im geeigneten Temperaturbereich liegt, z.B. kristallines Natriumhydroxid.
Zu Bereitstellung höhere Temperaturen wird bevorzugt ein Wärmeträgermedium eingesetzt, das sich vom Prozessmedium unterscheidet. Das Wärmeträgermedium ist bevorzugt ein Wärmeträgeröl. Alternativ ist auch Druckwasser in Betracht ziehbar.
Als Energiequelle dient bevorzugt eine Solaranlage, die handelsübliche Sonnenkollektoren enthält. Zum Erreichen höhere Temperaturen eignet sich besonders ein Parabolkollektor, der die notwendigen Temperaturen erreichen kann, jedoch auch beispielsweise durch Vakuumröhrenkollektoren ersetzt werden kann oder, für einen zweistufigen Betrieb, einem Vakuumröhrenkollektor nachgeschaltet werden kann. Kollektoren mit Heliostatenspiegeln ermöglichen ebenfalls ein hohes Temperaturniveau.
Zum Überbrücken von Zeiten fehlender oder geringer Sonneneinstrahlung, kann die Energiequelle weiterhin eine Verbrennungsanlage insbesondere für nachwachsende Rohrstoffe enthalten, die jedoch auch als einzige Energiequelle eingesetzt werden kann und dann bevorzugt mit dem beschriebenen Hochtemperatur-Wärmespeicher gekoppelt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen 1 beschrieben, die in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Prozesswärme zeigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung 2, insbesondere eine Schrumpfanlage, ausgelegt. Die Schrumpfanlage 2 ist als Heißluft-Durchlaufofen (sog. Schrumpftunnel) ausgebildet, durch den sich nicht dargestellte Gegenstände, z.B. Flaschen, Dosen, Kartons, beladene Paletten oder dgl. kontinuierlich bewegen, die einzeln oder gruppenweise in eine Kunststoff-Schrumpffolie eingeschweißt oder mit Schrumpfetiketten versehen werden sollen. Als Schrumpfanlage kann jede bekannte Anlage eingesetzt werden. Die Schrumpfanlage arbeitet bevorzugt mit Luftdüsen, durch die erwärmte Luft gegen die Schrumpffolie geblasen wird. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Verpackungseinrichtungen, kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitend, einzusetzen, bei denen Wärme für einen Verpackungsprozess benötigt wird.
Die zum Verpacken notwendige Wärme wird von einer Energiequelle 3 geliefert, die ihre Energie nicht oder nur begrenzt (nicht schnell) regelbar bereitstellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Energiequelle 3 eine Solaranlage 4, die mit herkömmlichen Sonnenkollektorarten bestückt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die Solaranlage 4 zwei-stufig, d.h. sie enthält wenigstens einen Flach- oder (bevorzugt) Vakuum-Röhren-Kollektor 4a der beispielsweise Teil einer Heizungs- oder Brauchwassererwärmungseinrichtung sein kann, die bereits besteht oder zusammen mit der Vorrichtung 1 installiert wird. Die Solaranlage 4 enthält jedoch weiterhin einen Kollektor 4b der in der Lage ist, eine höhere Temperatur als die Kollektoren 4a zu liefern. Bevorzugt ist der Kollektor 4b, ein Parabolrinnenkollektor. Die Solaranlage 4 dient zum direkten oder indirekten (je nach Typ des Kollektors) Erwärmen eines Wärmeträgermediums, insbesondere eines hoch temperaturfesten Wärmeträgeröls oder Druckwasser. Das Wärmeträgermedium fließt über eine Leitung 5 von der Solaranlage, bevorzugt über eine Pumpe P1, in einen Hochtemperatur-Wärmespeicher 7. Da erfahrungsgemäß im Tagesmittel nur ein Teil der Nennleistung benötigt wird, sollte der Wärmespeicher 7 die anfallende Überschusswärme für einen späteren Abruf speichern. Der Hochtemperatur-Wärmespeicher 7 sollte in der Lage sein, eine Temperatur oberhalb von 185° Celsius, bevorzugt oberhalb von 200° Celsius, etwa 300° Celsius und insbesondere bevorzugt im Bereich von 250 bis 350° Celsius, zu liefern, d.h. eine Vorlauftemperatur zu liefern, die ausreicht, die eingesetzte Verpackungseinrichtung, beispielsweise die Schrumpfanlage 2 zu betreiben. Zum Betreiben der Schrumpfanlage 2 mit Luftdüsen muss die Vorlauftemperatur so auf die Gegebenheiten der Vorrichtung 1 abgestimmt werden, dass die Luft am Austritt der Luftdüsen eine Temperatur von 180 bis 250° Celsius hat, wobei die Verpackungsfolie und/oder das Schrumpfetikett innerhalb eines Zeitfensters von neun bis zwölf Sekunden auf eine Schrumpf- und Erweichungs-Temperatur zwischen 80 und 100 Grad Celsius gebracht wird, so dass sich die Schrumpffolie eng um die zu verpackenden Gegenstände legt und ggf. vorhandene Überlappungsbereiche der Folie verschweißt werden.
Der Wärmespeicher 7 kann beispielsweise ein wärmegedämmter Festkörper, z. B. ein oder mehrere massive Blöcke aus Grauguss, sein. Bevorzugt enthält der Wärmespeicher 7 jedoch ein Phasenwechselmaterial bei dem die Erstarrungs-/bzw. Schmelzenergie ausgenutzt wird. Das Phasenwechselmaterial kann so gewählt werden, dass auch höhere Temperaturen gespeichert werden können und bei Abruf der gespeicherten Temperatur die Energie jeweils bis zum Abschluss des Phasenwechselvorgangs annähernd konstant bleibt. Durch die Verwendung von Phasenwechselmaterial im Wärmespeicher 7 ist es somit möglich, eine relativ hohe Temperatur bereit zu stellen und diese über einen längeren Zeitraum konstant abzugeben. Phasenwechselmaterialen sind in den unterschiedlichsten Ausbildungen in Temperaturbereichen bekannt. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Bereitstellen von Schrumpfwärme kommen besonders Metalle mit niedrigem bzw. mittlerem Schmelzpunkt in Frage; so wären geeignete Speichermedien beispielsweise Blei (327° Celsius bei 23J/g), Kadmium (321° Celsius bei 56J/g), Bismut (271° Celsius bei 52,2J/g), Zinn (232° Celsius bei 59,6J/g), Zink (420° Celsius bei 111J/g) und Legierungen aus diesen Metallen. Vom Temperaturbereich her besonders bevorzugt ist Bismut.
Der Wärmespeicher 7 wird durch das Wärmeträgermedium, d.h. das Wärmeträgeröl, das von der Leitung 5 in einer Schlange 6 durch den Wärmespeicher 7 geführt wird, aufgeschmolzen und gibt seine beim Aufschmelzen verbrauchte Energie während des Erstarrens wieder ab. Da das Wärmeträgermedium keinen direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial hat, das System demnach geschlossen ist, können in Prinzip auch toxische Phasenmaterialen eingesetzt werden.
Das Wärmeträgermedium verlässt den Wärmespeicher 7 über eine Leitung 8. Für Schlechtwetterperioden und den Produktionsstart vor Sonnenaufgang enthält die Energiequelle 3 weiterhin eine konventionelle Zuheizung. Als konventionell Zuheizung eignet sich beispielsweise eine Verbrennungsanlage 9 mit einem Kessel, die problemlos auch mit alternativen Brennstoffen (z. B. Biomasse, Produktionsabfälle, usw.) betrieben werden kann. Die Leitung 8 vom Wärmetauscher 7 tritt in den Kessel der Verbrennungsanlage 9 ein, wobei das Wärmeträgermedium (Öl) in einer Leitungsschlange 10 durch das sich im Kessel befindliche Wärmeträgermedium, meist Wasser, erwärmt wird. Das Wärmeträgermedium (Öl) verlässt die Verbrennungsanlage 9 über eine Leitung 11 in der wiederum eine Pumpe P2 vorgesehen werden kann und tritt dann in die Verpackungseinrichtung 2 ein, um dort die für die Verpackung notwendige Wärme bereitzustellen, also beispielsweise die zum Schrumpfen verwendete Luft zu erwärmen.
Nach der Verpackungseinrichtung 2 wird das Wärmeträgermedium über eine Leitung 12 im Kreislauf zurück in die Solaranlage 4 geleitet und dort wiederum aufgeheizt.
Für einen möglichst flexiblen Betriebsablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind eine Mehrzahl von Umgehungs- oder Unterkreisläufe vorgesehen. So wird beispielsweise die Leitung 5 mit der Leitung 8 unter Umgehung des Wärmespeichers 7 durch eine Leitung 13 verbunden, die in der Leitung 5 mit einem Ventil V1 eingebunden ist, über ein Ventil V2 führt und in die Leitung 8 mit einem Ventil V3 einmündet. Die Verbrennungsanlage 9 wird durch eine Leitung 14 umgangen, die über das Ventil V2 mit der Leitung 13 und das Ventil V3 mit der Leitung 8, sowie über ein weiteres Ventil V4 mit einer Leitung 15 und über die Leitung 15 über ein weiteres Ventil V5 mit der Leitung 10 stromaufwärts der Pumpe 22, verbunden ist.
Um auch einen Betrieb ohne die Solaranlage 4 sicherzustellen, ist die Leitung 12 unter Umgehung der Solaranlage 4 über eine Leitung 16, die Leitungen 14 und 13 und das Ventil V3 in einem Kreislauf mit der Verbrennungsanlage 9 verbunden.
Durch die beschriebene Ausgestaltung ist die Vorrichtung 1 in den unterschiedlichsten Betriebszuständen zu betreiben, wobei die folgenden Pfade geschaltet werden können:

1. Betrieb ohne Sonnenkollektoren: Energiezufuhr über Kessel Pfad 1 („Heizung EIN"): Zuheizung 9 → V5 → P2 → Schrumpfanlage 2 → V4 → V2 → V3 → Zuheizung 9 Pfad 2 („Heizung AUS"): Überschusswärme in den Wärmespeicher 7 Zuheizung 9 → V5 → V4 → V2 → V1 → P1 Wärmespeicher 7 → V3 → Zuheizung 9
2. Solarbetrieb mit Zuheizung: Energiezufuhr über Zuheizung und Sonnenkollektoren Pfad 1 („Heizung EIN"): Solaranlage 3 → V1 → V2 → V3 Zuheizung 9 → V5 → P2 → Schrumpftunnel 2 → Solaranlage 3 Pfad 2 („Heizung AUS"): Wärmespeicher 7 wird geladen. Solaranlage 3 → V1 → P1 → Wärmespeicher 7 → V3 → Zuheizung 9 → V5 → V4 → Solaranlage 3
3. Solarbetrieb ohne Zuheizung: Energiezufuhr über Sonnenkollektoren Pfad 1a („Heizung EIN"): (bei kaltem Wärmespeicher) Solaranlage 3 → V1 → V2 → V4 → V5 → P2 → Schrumpfanlage → Solaranlage 3 Pfad 1b („Heizung EIN"): mit vorgeheiztem Wärmespeicher zur Temperaturstabilisierung Solaranlage 3 → V1 → P1 Wärmespeicher 7 → V3 → V2 → V4 → V5 → P2 Solaranlage 3 → Schrumpfanlage 3 Pfad 2 („Heizung AUS"): Wärmespeicher wird geladen Solaranlage 3 → V1 → P1 → Wärmespeicher 7 → V3 → V2 → V4 → Solaranlage 3
4. Wärmespeicherbetrieb: Energiezufuhr über Wärmespeicher (und Zuheizung) Pfad 1 („Heizung EIN"): Wärmespeicher 7 → V3 → Zuheizung 9 → V5 → P2 → Schrumpfanlage 7 → V4 → V2 → V1 → P1 → Wärmespeicher 7 Pfad 2 („Heizung AUS"): Wärmespeicher 7 → V3 → Zuheizung 9 → V5 → V4 → V2 → V1 → P1 Wärmespeicher 7

Insbesondere bei Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers 7 der beschriebenen Art, kann auch eine Verbrennungsanlage mit Kessel 9 ohne Solaranlage zum Erzeugen von Prozesswärme für alle Einsatzzwecke verwendet werden, in denen eine hohe Temperatur erforderlich ist. In klimatisch bevorzugten Gebieten kann jedoch auch lediglich eine Solaranlage vorgesehen sein, wobei auch hier durch die Verwendung des Hochtemperatur-Wärmespeichers der Einsatzzweck nicht auf Verpackungseinrichtungen beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Prozesswärme für eine Verpackungseinrichtung (2), mit einer nicht oder nur begrenzt regelbaren Energiequelle (3), einem Wärmeträgermedium und einem Wärmespeicher (7).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpackungseinrichtung (2) eine Schrumpfanlage enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (7) ein Hochtemperatur-Wärmespeicher ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (7) ein Metall, insbesondere Bismut, enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Wärmeträgeröl oder Druckwasser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (3) eine Solaranlage (4) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage (4) einen Vakuumröhrenkollektor (4a) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage (4) einen Parabolkollektor (4b) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage (4) zweistufig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (3) eine Verbrennungsanlage (9), insbesondere für nachwachsende Rohstoffe, enthält.
Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Prozesswärme, mit einer nicht oder nur begrenzt regelbaren Energiequelle (3), einem Wärmeträgermedium und einem Hochtemperatur-Wärmespeicher (7) zum Bereitstellen einer Temperatur von wenigstens 185°C, bevorzugt zwischen 250 und 350°C.