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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Eisstücken.
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Bekannt
sind Eisbereiter zum Einbau in Haushaltskältegeräte,
beispielsweise aus der
DE
10 2005 003 237 A1 , bei denen die tiefen Temperaturen eines
Gefrierfachs des Haushaltskältegerätes genutzt
werden, um das Wasser zu Eisstücken zu gefrieren. Dazu
wird eine Schale mit Wasser gefüllt und in das Gefrierfach
gestellt. In der kalten Umgebung des Gefrierfachs kühlt
das Wasser langsam ab und gefriert zu Eisstücken. Die Dauer
bis aus dem Wasser Eisstücke geworden sind beträgt
dabei im Allgemeinen mehr als 30 Minuten.
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Ein
anderes Verfahren Eisstücke zu erzeugen besteht darin,
Wasser in einem Behälter vorzuhalten, in den mittels eines
Kühlmediums aktiv gekühlte Metallfinger ragen.
Die Eisstücke entstehen durch eine Eisschicht, die an den
in das Wasser eingetauchten Metallfingern aufwächst. Eine
diesbezügliche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
WO 03/054458 A1 bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Eisstücke aus Wasser energieeffizient
herzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur energieeffizienten
Herstellung von Eisstücken, weist zumindest die folgenden
Schritte auf:
- – Befüllen
einer Form mit Wasser;
- – Kühlen des Wassers mittels eines durch einen
Verdichter betriebenen Kälteerzeugers mit einer Anfangsverdichterleistung;
- – Reduzieren der Verdichterleistung zu einem Zeitpunkt
nach dem Beginn des Gefrierens des Wassers.
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Mit
den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten wird
zur Herstellung von Eisstücken deutlich weniger Energie
benötigt, als mit den herkömmlichen Verfahren.
So wird für die Erzeugung von Eis aus einer Masse von 1
kg Wasser durch Einstellen einer Schale mit Wasser in ein Gefrierfach
eines üblichen Haushaltskältegerätes
(z. B. nach
DE
10 2005 003 237 A1 ) eine Energie von mehr als 0,4 kWh benötigt.
Für die Erzeugung von Eis aus einer Masse von 1 kg Wasser
durch Aufwachsen einer Eisschicht an gekühlten Metallfingern
(z. B. nach
WO 03/054458
A1 ) wird eine Energie von mindestens 0,27 kWh benötigt.
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Der
erfindungsgemäße Vorteil der besseren Energieeffizienz
zeigt sind insbesondere in Verbindung mit einer Vorrichtung zur
aktiven Erzeugung von Eis in Haushaltsgeräten, die wenigstens
eine Form zur Aufnahme von zu gefrierenden Wasser aufweist, deren
dem Wasser zugewandte Innenwand an einen Kälteerzeuger
angeschlossen ist. Bei einer derartigen Vorrichtung wird im Unterschied
zum Stand der Technik die Wärme nicht über gekühlte
Metallfinger, sondern über die gekühlte Formwand
abgeführt. Die Vorrichtung zur aktiven Erzeugung von Eis
in Haushaltsgeräten kann wenigstens eine Wasserschale umfassen,
in welcher das zu kühlende Wasser aufbewahrt wird, wobei
die Wasserschale eine Wand aufweist, die durch direkten Kontakt mit
wenigstens einem Kältemittelkanal kühlbar ist.
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Die
Vorrichtung lässt sich treffend wie folgt beschreiben.
Eine Schale wird durch wenigstens einen Kühlmittelkanal
gekühlt. Dabei kann die Schale eine Eisschale mit inneren
Kältemittelkanälen sein, die durch Bohren oder
die Gießform bestimmt sind. Sie kann aber auch eine Schale
sein, die einen vorzugsweise ebenen Boden aufweist, welcher mit
einem flächigen Verdampfer wie z. B. einer Rollbond-Platine
Wärme leitend verbunden ist. Es kann aber auch eine massive
Schale mit halboffenem U-förmigen Kanälen auf
der Unterseite sein, in die ein Kältemittel führendes
Rohr eingepresst wurde. Weiterhin kann die Vorrichtung Schalenzwischenwände
aufweisen, welche die einzelnen Eisstücke voneinander trennen.
Die Kältemittelkanäle liegen unterhalb der Schale,
und werden durch ein U-förmiges Rohr gebildet. Grundsätzlich
können auch die Zwischenwände hohl ausgebildet
sein und Kältemittel führen, dies ist aber aufgrund
der hohen Wärmeleitfähigkeit der Schale nicht
erforderlich. Die Schale kann aus Aluminium sein, es sind aber auch
hochwärmeleitfähige insbesondere metallische Materialen,
wie auch Kunststoffe einsetzbar. Dabei erlaubt die hohe Wärmeleitfähigkeit einen
größeren Abstand zwischen Wasser und Kältemittelkanal.
Die Vorrichtung ist aber auch mit einem Material mit einer schlechte ren
Wärmeleitfähigkeit realisierbar, hierbei wäre
es sinnvoll, mehrere, bevorzugt komplex geformte Kanäle
vorzusehen, z. B. in den Zwischenwänden. Die Vorrichtung
kann Auswerfer aufweisen, so dass die Schale bspw. aus Sicherheitsgründen
feststehen montiert kann. Werden flexible Kältemittelleitungen
verwendet, kann die Schale gedreht werden, so dass keine Auswerfer
erforderlich sind. Die Vorrichtung zur aktiven Erzeugung von Eis
gewährleistet eine hohe Gefrierleistung bei gleichzeitig
effektiver Energieausnutzung und geringem Raumbedarf.
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Die
soeben beschriebene Vorrichtung weist gegenüber der Kühlung
mittels Finger, die in das Wasser eintauchen, eine größere
Kontaktfläche zwischen Kühleinrichtung und Wasser
auf, so dass die Wärmeübertragung vom Wasser auf
die Form verbessert ist. Als Form wird nach der Erfindung jede Aufnahme
für das Wasser verstanden, welche eine gewisse Wassermenge
aufnimmt, die zu Eis gefroren werden soll. Je nach gewünschter
Konturform für das Eisstück, kann die Form unterschiedlich
gestaltet sein. Die Form kann insbesondere schalenförmig,
z. B. halbkugelförmig oder kreisscheibenabschnittsförmig
sein. Die Kühlung erfolgt dabei über die schalenförmige
Wand der Aufnahme für das Wasser.
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In
einer beispielhaften Anordnung einer solchen Vorrichtung wurde die
benötigte elektrische Leistung ermittelt, die notwendig
ist, um 100 Gramm Wasser zu Eis zu gefrieren. Die Vorrichtung umfasst
neben der Form, d. h. Schale welche das Wasser aufnimmt, einen elektrischen
Kälteerzeuger, der einen Verdichter aufweist, dessen Verdampferseite
mit der Form bzw. der Schale verbunden ist. Die Vorrichtung wurde
zunächst mit einem üblichen Verfahren betrieben.
Bei der aktiv gekühlten Schale beginnt der Gefriervorgang
an der Schalenoberfläche, d. h. die Eisstücke
frieren von außen nach innen zu. Bei maximaler Verdichterleistung
beginnt der Gefriervorgang ca. 3 Minuten nach dem Einfüllen
des Wassers. Die Anfangstemperatur des Wasser beträgt 20° Celsius.
Um ein möglichst schnelles Gefrieren zu erreichen, wird
ein starker elektrischer Verdichter benötigt. In der beispielhaften
Anordnung wurde ein Verdichter des Typs VEM Z 5C verwendet, der
bei seiner maximalen Drehzahl bei einer Verflüssigungstemperatur
von 45° Celsius und einer Verdampfertemperatur von minus
20° Celsius eine Kälteleistung von 146 Watt zur
Verfügung stellt. Die Leistungsziffer dieser Kältemaschine
(COP – coefficient of performance) beträgt an
seinem Betriebspunkt 1,81.
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Der
COP, d. h. das Verhältnis von Kälteleistung zu
aufgewandter elektrischer Leistung beschreibt die energetische Effizienz
des Systems. Diese Leistungsziffer ist, eine bestimmte Qualität
der technischen Ausrüstung vorausgesetzt, dabei hauptsächlich
eine Funktion des Temperaturhubes zwischen bereitgestellter Nutzkälte
am Verdampfer und der freigesetzten Abwärme am Kondensator.
Je höher der COP umso besser die Energieeffizienz. Ein
COP von 3,6 oder größer entspricht bspw. bei Kühlgeräten
der Energieeffizienzklasse A.
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Bei
maximaler Leistung benötigt die beispielhafte Anordnung
für einen komplette Zyklus für das Gefrieren von
100 Gramm Wasser zu Eis mit anschließendem Antauen und
Auswerfen der Eisstücke ca. 15 Minuten. Dabei werden ca.
0,02 Kilowattstunden (kWh) elektrischer Energie verbraucht. Bezogen
auf 1 Kilogramm Wasser bzw. Eis sind das 0,2 kWh/kg. Die beispielhafte
Anordnung benötigt somit gegenüber dem bekannten
Einstellen einer Schale mit Wasser in ein Gefrierfach mit ca. 0,4
kWh/kg und der Kühlung mittels Metallfingern mit ca. 0,27
kWh/kg bereits deutlich weniger Energie.
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Eine
Abschätzung zeigt jedoch, dass für dieses System
im günstigsten Fall nur ca. 0,15 kWh/kg erforderlich wären,
d. h. gegenüber den ermittelten 0,2 kWh/kg könnten
weitere 0,05 kWh/kg eingespart werden, was immerhin einer Energieersparnis
von 25% entspricht. Aus den Kenngrößen der beispielhaften
Anordnung lässt sich die theoretisch erforderliche Mindestmenge
an Energie berechnen:
| Material | Masse | TSTART | TEND | spezifische
Wärme | Wärmemenge |
| bzw.
Vorgang | [g] | [°C] | [°C] | [J/g]
bzw. [J/gK] | Q
[J] | Q
[Wh] |
| Alutray
u. Verdampfer | 800 | 4 | –10 | 0,896 | 10035 | 2,8 |
| Wasser | 100 | 20 | 0 | 4,18 | 8360 | 2,3 |
| Erstarrung | 100 | 0 | 0 | 335,00 | 33500 | 9,3 |
| Unterkühlung
Eis | 100 | 0 | –10 | 2,10 | 2100 | 0,6 |
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Summe
der theoretisch erforderlichen Energie für 100 g Wasser/Eis:
15,0 [Wh] Die Effizienz des Gefriervorgangs beträgt damit
0,15 kWh/kg.
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Theoretisch
könnte der Verbrauch an elektrischer Energie noch darunter
liegen, wenn die vom Verdichter mit einem COP größer
1 erzeugte Kälteleistung verlustfrei in die Form d. h.
die Aluminiumschale (Alutray) eingebracht werden könnte.
Im realen Aufbau wird aber stets ein zumindest kleiner Teil der
Kälteleistung an die Umgebung verloren gehen.
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Bei
der obigen Betrachtung ist jedoch noch die Energie für
das Antauen der Eisstücke unberücksichtigt, d.
h. diejenige Energie, die erforderlich ist, um die Form (Alutray
und Verdampfer) von minus 10 Grad Celsius auf eine Temperatur über
Null Grad Celsius zu erwärmen, so dass die Eisstücke
antauen und aus der Form gelöst werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der im
Folgenden beschriebenen Erkenntnis. Bei der aktiv gekühlten
Schale beginnt der Gefriervorgang an der Schalenoberfläche,
d. h. die Eisstücke frieren von außen nach innen
zu. Bei maximaler Verdichterleistung beginnt der Gefriervorgang
ca. 3 Minuten nach dem Einfüllen des Wassers. Die Anfangstemperatur
des Wasser beträgt 20° Celsius. Der Wärmetransport
von der Erstarrungsfront zur Verdampferfläche (Formwand)
wird durch die sich bildende Eisschicht zunehmend behindert. Dies
liegt einerseits an der geringeren Wärmeleitfähigkeit
des Eises und andererseits daran, dass die wirksame Oberfläche
für den Wärmetransport aus dem Wasser d. h. die
Oberfläche der Erstarrungsfront, aufgrund der zunehmenden
Eisschichtdicke stetig abnimmt. Deshalb sinkt die Verdampfungstemperatur
des Kältemittels und die verfügbare Kälteleistung
d. h. die die Leistungsziffer (COP) des Verdichters nimmt ab. Nach weiteren
8 bis 9 Minuten, also bei Zyklusminute 11 bis 12 sind bereits mehr
als 90% des Wassers gefroren. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verdampfer
bereits kälter als minus 15 Grad Celsius. Erst nach weiteren
2 bis 3 Minuten, also bei Zyklusminute 13 bis 15 ist auch das restliche
Wasser in der Mittel des Eisstücks gefroren. Durch die
sehr tiefe Temperatur muss die Form bzw. der Aluschale bei dem abschließenden
Antauen der Eisstücke von minus 15 Grad Celsius auf über
Null Grad Celsius erwärmt werden. Dieser Vorgang benötigt
insbesondere wegen der begrenzten Leistung einer Heißgasabtauung
ca. 2 bis 3 zusätzliche Minuten. Insgesamt betrachtet verlängert
sich der Gefriervorgang bei Berücksichtigung des deutlich
verminderten Energieverbrauchs nur unwesentlich.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ab dem Beginn
des Gefrierens die Verdichterleistung reduziert. Dies hat zur Folge,
dass die Form, d. h. die Aufnahme des Wassers bzw. der Alutray nicht
unnötig tief abgekühlt wird. Bei der beispielhaften
Anordnung wird durch die Reduzierung der Verdichterleistung zu einem Zeitpunkt
nach dem Beginn des Gefrierens des Wassers ein Absinken der Temperatur
der Form oder Trays unter minus 15 Grad Celsius verhindert. Es hat
sich gezeigt, dass trotz verringerter Verdichterleistung der Gefriervorgang
des Wassers zu Eis nicht merklich verzögert bzw. verschlechtert
wird. Gleichzeitig ist bei dem anschließenden Antauen der
Eisstücke die Form bzw. der Tray nur aus einer weniger
tiefen Temperatur (ca. minus 12 Grad Celsius statt minus 22 Frad
Celsius) auf über Null Grad Celsius zu erwärmen,
so dass auch weniger Energie für das Erwärmen
bzw. das Antauen der Eisstücke erforderlich ist.
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Die
Verdichterleistung kann unmittelbar nach Beginn des Gefrierens des
Wassers reduziert werden. Vorzugsweise ist die Verdichterleistung
zumindest solange unter einer hohen und insbesondere maximalen Anfangsverdichterleistung
zu betreiben bis die Erstarrungswärmemenge abgeführt
ist. Die größte Energieeinsparung ergibt sich
folglich, wenn unmittelbar danach die Verdichterleistung reduziert
wird. Jedoch kann eine gewisse Energieeinsparung auch dann erreicht
werden, wenn erst eine bestimmte Zeit später die Verdichterleistung
reduziert wird. Dies liegt auch im Rahmen der Erfindung, wobei bei
einer solchen, weniger energieeffizienten Ausführungsform
gleichwohl Gebrach von der erfindungsgemäßen Lehre
der Reduzierung der Verdichterleistung gemacht wird.
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Die
Verdichterleistung kann auf eine minimale Verdichterleistung des
jeweils verwendeten Verdichters des Kälteerzeugers reduziert
werden. So kann die Verdichterleistung im beschriebenen Beispiel
(Verdichter Typ VEM Z 5C) von 146 Watt Kälteleistung auf
74 Watt, bei einer Verdampfungstemperatur von minus 15 Grad Celsius
und einer Verflüssigertemperatur von 35 Grad Celsius bei
einem COP von 2,75, reduziert werden. Durch eine verminderte Temperaturdifferenz
wird auch der COP des Verdichters verbessert.
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Die
Verdichterleistung kann allgemein definiert also auf ca. 50% der
Anfangsverdichterleistung reduziert werden. Die Reduzierung der
Verdichterleistung kann abweichend von genau 50% in einem Rahmen
erfolgen, der die erfindungsgemäßen Vorteile weiterhin
sicherstellt, also insbesondere zwischen 40% und 60% oder sogar
darüber hinaus gewählt werden.
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Der
Zeitpunkt der Reduzierung der Verdichterleistung kann in Abhängigkeit
der Bauart einer Vorrichtung zum Herstellung von Eisstücken,
insbesondere aus einer empirischen Bestimmung, fest vorgegeben werden.
Dazu kann in Versuchen mit der jeweiligen Vorrichtung der Zeitpunkt
bestimmt werden, an dem das Wasser zu gefrieren beginnt. Dieser
Zeitpunkt, d. h. die Zeitdauer ab Beginn eines verfahrensgemäßen
Zyklus kann dann in einer insbesondere elektrischen Steuerung einer
Vorrichtung zum Herstellung von Eisstücken implementiert
werden.
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Alternativ
kann aber auch während des Verfahrens ein Signal erzeugt
werden, welches insbesondere die elektrische Steuerung der Vorrichtung
zum Herstellung von Eisstücken veranlasst, die Verdichterleistung zu
reduzieren. Der Beginn der Reduzierung der Verdichterleistung kann
insbesondere aufgrund einer Messung der Temperatur der Form d. h.
der Schale in der sich das zu Eisstücken gefrierende Wasser
befindet, bestimmt oder gesteuert werden. Vorstellbar sind jedoch
auch andere Sensoren, die einen Erstarrungsbeginn des Wasser bestimmen
können.
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Beispielsweise
kann die Reduzierung der Verdichterleistung dann erfolgen, wenn
die gemessene Temperatur der Form d. h. des Trays eine vorgegebene
Solltemperatur erreicht hat. Als Solltemperatur kann insbesondere
eine Temperatur unterhalb von minus 10 Grad Celsius, insbesondere
von minus 12 Grad Celsius vorgegeben werden.
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Die
Form bzw. der Tray wird auch mit verminderter Verdichterleistung
weiterhin deutlich unter den Gefrierpunkt des Wassers von Null Grad
Celsius abgekühlt und zwar typischer Weise auf bis zu minus
15 Grad Celsius. Um beim Antauen der Eisstücke nicht zu
lange heizen zu müssen, wird in einer Weiterbildung der
Erfindung vorgeschlagen, am Ende des Gefriervorgangs, also wenn
aus dem Wasser die gewünschten Eisstücke erzeugt
sind, den Verdichter abzuschalten und eine Zeitdauer abzuwarten,
bevor ein Heizen der Form bzw. des Trays zum Antauen der Eisstücke
begonnen wird.
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Ein
solches Verfahren würde sich den Verfahrensschritten nach
Anspruch 1 anschließen und die folgenden weiteren Schritte
beinhalten:
- – Abschalten des Verdichters,
nachdem die Eisstücke aus dem Wasser erzeugt sind,
- – Belassen der Eisstücke in der Form für
einen Ruhezeitabschnitt,
- – Beheizen der Form zum Antauen der Eisstücke
für ein erleichtertes Lösen der Eisstücke
von der Form, nach dem Ende des Ruhezeitabschnitt.
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Der
Ruhezeitabschnitt kann zwischen 1 und 3 Minuten, insbesondere 2
Minuten betragen.
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In
der Zeitdauer des Abwartens nachdem der Verdichter abgeschaltet
ist, d. h. während des Ruhezeitabschnitts erwärmt
sich die Form oder Schale bzw. der Tray selbstständig,
d. h. insbesondere durch den Einfluss der Umgebungstemperatur, beispielsweise
auf ca. minus 5 Grad Celsius. Während der Erwärmung
der Form von ca. minus 15 Grad Celsius auf minus 5 Grad Celsius
schreitet der Gefriervorgang in der Mitte des Eisstückes
weiter voran, so dass beispielsweise der Verdichter auch geringfügig
vor Erreichen des Durchfrierens der Einsstücke bereits
abgeschaltet werden könnte. Da die Form zu Beginn des Heizvorgangs
nicht mehr so kalt ist, verkürzt sich die Antaudauer erheblich,
d. h. beispielsweise um ca. 1 Minute. Außerdem wird auch weniger
Heizenergie zum Antauen benötigt. Trotz verminderter Verdichterleistung
und der Verdichterpause verlängert sich die Zykluszeit
insgesamt nur geringfügig, beispielsweise von ca. 15 Minuten
auf lediglich ca. 17 bis 18 Minuten. Der Zyklus umfasst dabei sowohl
das Einfüllen von Wasser, das Gefrieren zu Eisstücken,
das Antauen und Auswerten der fertigen Eisstücke.
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Im
Gesamtergebnis sinkt die benötigte Energiemenge von ca.
0,2 kWh/kg auf ca. 0,15 kWh/kg, was eine Einsparung von 25% bedeutet.
Gegenüber der deutlichen Energieeinsparung ist dabei nur
eine geringe Einbuße an der Durchsatzleistung hinzunehmen.
Statt bisher ca. 9,6 kg Eis je Tag können immerhin noch
ca. 8,0 kg Eis je Tag erzeugt werden. Vorteilhaft ist der deutlich
leisere Betrieb aufgrund der reduzierten Verdichterleistung und
der Einführung von Ruhezeitabschnitten. Es werden geringere
Verdichter- und Ventilatorendrehzahlen benötigt und ein
Umschaltgeräusch bei Beginn der Abtauung reduziert. Als
Nebeneffekt stellen sich weniger Risse in den erzeugten Eisstücken
ein, da das Antauen zum Lösen der Eisstücke aus
der Form allmählicher erfolgt. Durch das allmählichere
Antauen mit der vorgelagerten Ruhezeit werden auch die Materialien
geschont, d. h. ohne sprunghaften Temperaturanstieg von maximaler
Kälteleistung zu maximaler Heizleistung zum Antauen, wird
insbesondere die Verbindung zwischen Verdampfer und Form d. h. Alutray
mechanisch weniger mit temperaturbedingten Materialspannungen belastet.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur energieeffizienten
Herstellung von Eisstücken ist in der folgenden detaillierten
Beschreibung dargestellt, sowie die Temperaturverläufe
eines beispielhaften Zyklus der Eiserzeugung mit dieser Vorrichtung
erläutert, um die Wirkung des erfindungsgemäßen
Verfahrens aufzuzeigen. Aus der detaillierten Beschreibung dieses
konkreten Ausführungsbeispiels ergeben sich auch weitere
generelle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Verfahrens nach Anspruch 1;
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2 eine
schematische Darstellung des Verfahrens nach Anspruch 9;
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3 eine
Schnittansicht durch eine beispielhafte Vorrichtung zur energieeffizienten
Herstellung von Eisstücken nach einem der erfindungsgemäßen
Verfahren;
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4 ein
Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Temperaturen während
eines erfindungsgemäßen Zyklus.
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1 veranschaulicht
ein Verfahren zur energieeffizienten Herstellung von Eisstücken
nach Anspruch 1. Das Verfahren beginnt nach dem Start mit einem
ersten Schritt S1 des Befüllens einer Form mit Wasser. Danach
folgt in einem zweiten Schritt S2 das Kühlen des Wassers
mittels eines durch einen Verdichter betriebenen Kälteerzeugers
mit einer Anfangsverdichterleistung. Das Verfahren endet mit einem
dritten Schritt S3 des Reduzierens der Verdichterleistung zu einem
Zeitpunkt nach dem Beginn des Gefrierens des Wassers. Nach dem Schritt
S3 ist das Verfahren nach Anspruch 1 beendet.
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2 veranschaulicht
ein Verfahren zur energieeffizienten Herstellung von Eisstücken
nach Anspruch 9. Das Verfahren beginnt nach dem Start wiederum mit
dem ersten Schritt S1 des Befüllens einer Form mit Wasser.
Danach folgt im zweiten Schritt S2 das Kühlen des Wassers
mittels eines durch einen Verdichter betriebenen Kälteerzeugers
mit einer Anfangsverdichterleistung und im dritten Schritt S3 das
Reduzieren der Verdichterleistung zu einem Zeitpunkt nach dem Beginn
des Gefrierens des Wassers. An diesen dritten Schritt S3 schließt
sich sodann ein vierter Schritt S4 des Abschaltens des Verdichters
an, nachdem die Eisstücke aus dem Wasser erzeugt sind.
In einem fünften Schritt S5 werden die Eisstücke
in der Form für einen Ruhezeitabschnitt belassen und in
einem sechsten Schritt S6 wird die Form zum Antauen der Eisstücke
für ein erleichtertes Lösen der Eisstücke
von der Form beheizt, und zwar nach dem Ende des Ruhezeitabschnitt
gemäß Schritt S5. Nach dem Schritt S6 ist das
Verfahren nach Anspruch 9 beendet.
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In 3 ist
eine Form 1 zur Herstellung eines Eisstücks schematisch
im Schnitt dargestellt. Eine beispielhafte Vorrichtung zur energieeffizienten
Herstellung von Eisstücken nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren
kann insbesondere mehrere derartiger Formen 1 aufweisen,
die analog einer Eiswürfelschale in räumlich geordneter
Nähe zueinander angeordnet sind, insbesondere in einer
Baueinheit zusammengefasst sein können. Die Form 1 ist
beispielhaft als Aluminiumschale ausgebildet, mit einem Grundkörper 2 aus
Aluminium und einer halbschalenförmigen Innenwand 3.
In der Form 1 an die Innenwand 3 angrenzend ist
eine Eisschicht 4 dargestellt, die in Bildung ist und angrenzend
an einer momentan noch verbliebene Wassermenge 5 endet.
An der Grenze zwischen Eisschicht 4 und Wassermenge 5 befindet
sich eine Erstarrungsfront 6. Aus der Wassermenge 5 fließt
eine Wärmestrom, dargestellt als Pfeil 7, zu einer
Verdampferplatte 8, die mit einem nicht dargestellten Kälteerzeuger
verbunden ist. Die Wärme aus der Wassermenge 5 wird
entlang des Wärmestroms (Pfeil 7) in die Verdampferplatte 8 abgeleitet,
so dass die Erstarrungsfront 6 mit fortschreitender Kühlung
in 3 nach oben weiter anwächst, bis die
Wassermenge 5 restlos zu Eis erstarrt ist.
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In 4 ist
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Temperaturen während
eines erfindungsgemäßen Zyklus für eine
Vorrichtung nach 3 beispielhaft dargestellt.
Der zeitliche Verlauf der Temperaturen ist für 100 Gramm
Wasser ausgeführt. Die beiden oberen, überwiegend
im Bereich von Plusgraden befindlichen Temperaturlinien stellen
die Temperaturverläufe im Wasser dar. Der ganz zu oberst
dargestellte Temperaturverlauf repräsentiert den Temperaturverlauf über
die Zeit des zu gefrierenden Wassers, ohne dem erfindungsgemäßen
Verfahren, also ohne Reduzierung der Verdichterleistung. Knapp darunter
und teilweise deckungsgleich ist der Temperaturverlauf über
die Zeit des zu gefrierenden Wassers mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren dargestellt. Die Temperaturen des Wassers wurden im Zentrum
des Wasser bestimmt, also an einem Punkt, an dem zeitlich zuletzt
das Gefrieren eintritt. Beide Temperaturverläufe des Wassers
starten bei der Minute 0 mit einer Ausgangstemperatur von ca. 20
bis 21 Grad Celsius. In den folgenden Minuten verlaufen beachtlicher
Weise beide Temperaturverläufe in nahezu identischer Weise.
Erst bei ca. Minute 11,5 unterscheiden sich die beiden Temperaturverläufe.
Der Temperaturverlauf bei andauernder maximaler Verdichterleistung kippt
zu diesem Zeitpunkt unter die Null Grad Celsius Grenze, d. h. das
Eisstück ist zu diesem Zeitpunkt vollständig durchgefroren.
Mit einer erfindungsgemäßen Reduzierung der Verdichterleistung,
hier um ca. 50%, kippt der Temperaturverlauf erst bei ca. Minute
13,5 unter die Null Grad Celsius Grenze, d. h. das Eisstück
ist zu diesem etwas späteren Zeitpunkt vollständig
durchgefroren. Dieser Verlauf verdeutlich den Herstellvorgang der
Eisstücke und zeigt auf, dass vollständig durchgefrorene
Eisstücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der
Reduzierung der Verdichterleistung nur geringfügig später
fertig gestellt sind. Die Verzögerung beträgt
nur ca. 2 Minuten von insgesamt ca. 15 bis 17 Minuten Gesamtherstelldauer.
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In
den beiden unteren, überwiegend im Bereich von Minusgraden
befindlichen Temperaturlinien der 4 sind die
Verläufe der Temperaturen über die Zeit in der
Form, d. h. in einem Aluminiumtray dargestellt. Zunächst
starten beide Temperaturverläufe, mit und ohne erfindungsgemäßer
Reduzierung der Verdichterleistung, bei ca. 12 bis 13 Grad Celsius
der Form. Durch die Zugabe des Wassers von einer Temperatur von
ca. 20 bis 21 Grad Celsius erhöht sich zunächst
kurzfristig die Formtemperatur auf ca. 15 bis 16 Grad Celsius, um anschließend
rapide abzusinken und zwar in beiden Temperaturverläufen
aufgrund der maximalen Verdichterleistung bis zur Minute 6,5. Ab
der Minute 6,5 zeigt sich in den beiden Temperaturverläufen
der wesentliche Unterschied zwischen Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen
Verfahren. Während nach dem Stand der Technik auch nach
der Minute 6,5 weiterhin mit voller Verdichterleistung gekühlt
wird, wird gemäß der Erfindung zu diesem Zeitpunkt
die Verdichterleistung reduziert, im Beispielsfall um ca. 50%. Dies
hat zur Folge, dass die Temperatur der Form in einem Zeitabschnitt
zwischen Minute 12 und 13 nicht auf einen Wert von ca. minus 20
Grad Celsius absinkt, sondern sich lediglich bei etwa minus 10 Grad
Celsius einpendelt. Die Fläche zwischen den Temperaturverläufen
von maximaler Verdichterleistung und reduzierter Verdichterleistung
repräsentiert dabei eine Proportion der Energieeinsparung.
Im Temperaturverlauf der maximaler Verdichterleistung ergibt sich
bei ca. Minute 13 ein Knick durch die vollständige Abschaltung
des Verdichters. Im Temperaturverlauf der reduzierten Verdichterleistung
schließt sich zwischen Minute 13,5 und 15,5 eine erfindungsgemäße Verdichterpause
an, bevor die Form beheizt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005003237
A1 [0002, 0007]
- - WO 03/054458 A1 [0003, 0007]