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Kontinuierliche Strahlungskühlanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlüngskühlsystem, insbesondere auf seine Verwendung in Verbindung mit Kühlkanälen für nichtmetallische Materialien, etwa Zuckerwaren und anderes Konfekt und Kuchen, sowie überzogene Backwaren.
Viele in der Industrie verwendete Kühlkanäle für die Kühlung überzogener Backwaren u. dgl. bestehen aus Förderbändern, die sich durch zugehörige Gehäuse oder Kanäle bewegen und mit Ventilatoren ausgerüstet sind, welche Kühlluftströme gegen die Zuckerwaren oder verzierten Backwaren richten, wenn sie sich auf dem Förderband vorwärtsbewegen.
Nichtmetallische Materialien (wie Zuckerwaren) sind für Strahlungen mit Wellenlängen über 100 ji (wie in der Diathermie verwendete Hertz'sehe Wellen) stark durchlässig. Der Durchgang solcher Strahlungen durch nichtmetallische Materialien ergibt eine Absorption dieser Strahlungsenergie durch Moleküle über die gesamte Masse in veränderlicher Stärke und eine Zunahme ihrer Rotationsaktivität und ihres Temperaturniveaus.
Da Strahlungsemission und-absorption bekanntlich weitgehend identische Prozesse sind, die sich je-
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dert werden können, welche durch die umgebende Masse hindurch nach aussen emittiert werden, die wiederum für Energie in diesem Wellenlängenbereich gut durchlässig ist. Tiefkühlung solcher Materialien ist also unabhängig von andern Wellenlängen der Oberflächenstrahlungsemission oder der Oberflächenkühlung durch Leitung und Konvektion möglich, Dieses beinhaltet insbesondere die leichte Abführung der gebundenen Wärme der "Zustandsänderung" etwa bei der Erstarrung des Produkts.
Die Strahlungsdurchlässigkeit organischer Materialien, wie Zuckerwaren, ist der betreffenden Strahlungswellenlänge proportional. Solche Materialien absorbieren den grössten Teil der Strahlung unter 1 ; L Wellenlänge, die Durchlässigkeit nimmt jedoch zu, wenn die Wellenlängen zunehmen. Die Wärmeleitfähigkeit in einem Material ist also nicht eine Angelegenheit der Energieübertragung von Molekül zu Molekül, sondern eher eine Funktion der betreffenden Strahlungswellenlängen und des Grades der Materialdurchlässigkeit.
Strahlungen kürzerer Wellenlängen können bei ihrem Durchgang von einem Mittelpunkt des Materials zu seiner Oberfläche mehrmals absorbiert und wieder abgestrahlt werden, während die Rotationsenergie seiner Moleküle und die "Zustandsänderung" Anlass zu Strahlungen langer Wellenlängen geben, die direkt austreten können.
Für die Strahlungskühlung von Produkten wie Kuchen, dicken Scheiben rohen Fleisches oder anderer organischer Massen, die keine"Zustandsänderung"durchmachen, gelten die üblichen Übertragungsformeln für Strahlungswärme sehr gut. In solchen Fällen erfolgt der grössere Teil der Strahlung von den äusseren Schichten des Materials und bei den kürzeren infraroten Wellenlängen, für welche das Material nicht durchlässig ist. Es wurde gefunden, dass eine derartige Strahlungswärmeabfuhr gleich gut stattfindet, ob die kalte Plattenfläche oberhalb des Produkts oder unterhalb angeordnet war, wobei im letzteren Falle Konvektionskühlung durch kalte Luftströme keine wesentliche Rolle spielen konnte. Mit über dem zu kühlenden Produkt angeordneten kalten Platten fielen die Temperaturen des Produkts gleich gut ab.
Ähnliche Versuche wurden mit der Strahlungsheizung von Produkten unter Bedingungen, bei denen die Lufterwärmung verhindert wurde, ausgeführt, u. zw. mit dem gleichen klaren Überwiegen der Strah- lungs Wärmeübertragung.
Es wurde gefunden, dass die Strahlungskühlung von Produkten weitgehend unabhängig von der Luftbewegung oder Lufttemperatur ist, ausser, wenn angeblasen wird, oder in den Fällen, in denen die Ver-
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dampfungskühlung einen beträchtlichen Faktor darstellt. Die Strahlungskühlung ohne Zustandsänderung zeigt das erwartete Verhältnis zum Gradienten der Temperaturdifferenz zwischen dem Produkt und der kalten Platte. Je grösser diese Differenz ist, desto schneller geht die Strahlungskühlung vor sich.
Obgleich der grösste Teil der fühlbaren Wärme eines Produkts bei den kürzeren infraroten Wellenlängen abgestrahlt wird, geht die Wärme, die von den Molekülen des Materials abgestrahlt wird, wenn die-
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Rotations- oder Schwingungs aktivitätdem sie enthalten auch einen Tiefenfaktor.
Mit der Emission der gebundenen Wärme der "Zustandsänderung" (wie in erstarrender Schokolade) besteht eine unterschiedliche und scheinbar rätselhafte Situation. Diese Wärme ist elektronischen Ursprungs und wird direkt bei ultralangen infraroten Wellenlängen emittiert, wenn das Material vom flüssi- gen Zustand in die feste Kristallgitterstruktur eines Festkörpers mit stark eingeengter Elektronenbewegung übergeht. Diese Diathermiestrahlung geht leicht durch die meisten organischen Materialien, wird jedoch von Metalloberflächen reflektiert, ausser, wenn solche Oberflächen russgeschwärzt sind.
Sogar eine Wis- muth-geschwärzte Meiallöberfläche wird 401o der Strahlungswärme von 10 Wellenlänge reflektieren, jedoch die Strahlung von 100-400 li Wellenlänge fast vollständig reflektieren.
Bei der Konstruktion eines Kühlkanals für Schokolade wurden zur Anpassung an diese Tatsachen der Strahlungswärmeübertragung ursprünglich senkrecht angeordnete kalte Platten (mit Reflektoren- und Tropfenrinnen) oberhalb des Förderbandes und eine horizontale Platte unterhalb des Förderbandes verwendet.
Um den Kanalaufbau zu vereinfachen und zu ermöglichen, dass die kalten Platten bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt arbeiten, werden erfindungsgemäss Platten verwendet, die horizontal über und unter dem Förderband angeordnet sind, das selbst aus für Infrarot durchlässigem Material bestehen soll.
Durch geeignete Regelung der relativen Feuchtigkeit in solchen Kanälen in der Weise, dass die Feuchtigkeitskondensation an den die kalten Platten enthaltenden Strahlungsabsorptionseinrichtungen verhindert wird, kann das System bei irgendeiner gewünschten Aufnahmetemperatur arbeiten.
Diese Betrachtungen werden sehr zutreffend und wichtig beim Formen und Aushärten von Schokola- deüberzügen und-blöcken, wie auch in andern organischen"Zustandsänderungs"-Prozessen. Mit Schokolade überzogene Produkte können voll ausgehärtet werden, wenn sie in ruhender Luft Strahlungsabsorbern mit. flüssigkeitsgekühlten, russgeschwärzten, kalten Platten bei Temperaturgradienten und in Zeitintervallen ausgesetzt werden, die nur der Strahlungsübertragung der notwendigen fühlbaren Wärme gemäss der Stefan-Boltzmann-Formel entsprechen.
Die während der "Zustandsänderung" der Schokolade freigesetz- te gebundene Wärme ist mehrmals grösser als die fühlbare Wärme, die bei dem Temperaturabfall zum Kristallisationspunkt hin abgegeben worden ist, und es kann keine Frage bestehen, dass diese grosse Menge gebundener Wärme mit ultralanger Wellenlänge von den russgeschwärzten kalten Platten absorbiert und durch die Kühleinrichtung entfernt wird. Das zeigt sich eindeutig in der auftretenden Belastung des Kühlaggregats.
Die Aufnahmetemperaturen der Absorber mit geschwärzten kalten Plattenoberflächen sind besonders bei der Kühlung der fühlbaren Wärme der Materialien auf den"Zustandsänderungspunkt"wichtig, aber theoretisch sind diese Temperaturen bei der Übertragung der gebundenen Wärme nur wenig wichtig, solange entsprechende Wärmeabfuhreinrichtungen in dem Strahlungsabsorptionssystem enthalten sind.
Hierin liegt die Schwäche, die der versuchten Luftkühlung von Produkten innewohnt, die eine"Zu- standsänderung" in metallumschlossenen Kanälen oder Kammern durchmachen. Die langwellige gebundene Wärme strahlt aus und wird von den umgebenden Wänden zurückgestrahlt oder absorbiert. Diese Wände müssen jetzt durch Luftstromberührung gekühlt werden, weil ihre erwärmte Oberfläche sonst kürzere Strahlungen auf das Produkt zurückstrahlt. Hier wird der alte Streit der Luftkühlung gegenüber der Strömungsmittelrohrkühlung von Oberflächen definitiv und klar zugunsten der Strömungsmittelrohrkühlung entschieden.
Die geeignete ausgelegte Strahlungskühlung besitzt dadurch eindeutige Vorteile über die Luftkühlung für die Abfuhr der fühlbaren Wärme aus Produkten. Für die Abfuhr gebundener Wärme aus"Zustandsän- derungsprozessen"wird jedoch ihre Anwendung fast zwingend, wenn die richtige kristalline Struktur und eine wirtschaftliche Wärmeabfuhr erzielt werden sollen. Die sogenannte Luftkühlung von Produkten ist üblicherweise in grossem Masse eine indirekte und wenig wirksame Strahlungskühlung über die aus Me-
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Luftströme muss vermieden werden, weil die Oberflächen aushärten, während die tieferen Lagen noch flüs- sig sind.
Solche Vorsichtsmassnahmen sind bei Strahlungskühlung jedoch nicht mehr notwendig, da die
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Strahlungswärme der Zustandsänderung" ebensogut aus den tieferen Stellen wie von der Oberfläche der Masse frei austritt.
Bestimmte wichtige Betrachtungen bestimmen die Planung und den Entwurf der in den Kanälen enthaltenen Strahlungskühlsystem. Erfindungsgemäss erfolgt die Verwendung von Strahlungsabsorbern mit durch Röhren gekühlten Platten in Verbindung mit einer Taupunkt- oder Feuchtigkeitsregelung, in der Weise, dass der Betrieb bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ohne Feuchtigkeitsabscheidung an den Platten ermöglicht wird.
Davon ausgehend betrifft die Erfindung eine Anordnung zur kontinuierlichen Strahlungskühlung, in der ultralange Wärmestrahlung durch strahlungsabsorbierende Körper absorbiert wird, mit einem an den Enden offenen Förderkühltunnel, der mit einem für ultralange Wärmestrahlung durchlässigen Förderband und mit einem Paar Strahlungsabsorbereinrichtungen ausgestattet ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorbereinrichtungen aus flachen, russüberzogenen Kühlplatten bestehen, von denen die eine oberhalb und die andere unterhalb des Förderbandes im Abstand von diesem angeordnet sind, und dass Einrichtungen vorgesehen sind, die in den Tunnel Luft einführen, deren Taupunkt unter die Temperatur herabgesetzt ist, bei der sonst Feuchtigkeit an den Strahlungsabsorbereinrichtungen kondensiert.
Im wesentlichen ist das erfindungsgemässe System wie folgt zusammengesetzt : a) Eine Kühlmittel- oder Flüssigkeitskühlquelle zur Aufrechterhaltung jeder gewünschten Temperatur des umlaufenden Strömungsmittels. b) Einrichtungen für die Umwälzung des gekühlten Strömungsmittels von der Kühlquelle durch die kalten Platten und zurück. c) Strahlungsabsorber mit strömungsmittelgekühlten kalten Platten, die horizontal oberhalb und unterhalb des Produktförderbandes (oder seitlich im Falle von hängenden Produkten) angeordnet sind.
Diese kalten Platten können der Kanalluft voll ausgesetzt sein, wobei in diesem Falle der Taupunkt der Kanalluft unterhalb der Temperatur, bei welcher die Platten betrieben werden, gehalten werden muss. d) Die in den Kanal einzupressende Luftmenge mit einem vorher bestimmten Taupunkt oder relati-
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liegende kalte Platten aufweisen, eine vorkohlende entfeuchtende Wasserschlange, eine chemische Lufttrocknungseinrichtung, die so angeordnet ist wie angegeben werden wird, und eine zweite Kühlwasserschlange, um die chemisch getrocknete Luft vor ihrem Eintritt in den Kanal auf eine Temperatur von etwa 3 bis 50C (38 bis 400F) herabzukühlen (f). e 2) Die Feuchtigkeitsregelung der Kanalluft erfordert im Falle von mit Polyaethylen umwickelten kalten Platten nur die vorkühlende, entfeuchtende Schlange.
Das hier vorgeschlagene neuartige Merkmal ist die Verwendung entfeuchteter Luft für die nötige Steuerung des Taupunktes oder der relativen Feuchtigkeit der Luft, die in unmittelbare Berührung mit der Oberfläche der kalten Platte oder deren Polyaethylenumwicklung kommt Das ermöglicht die Anwendung von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt für schnelle Strahlungskühlung.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, darin zeigen :
Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Kühlkanals mit Strahlungsabsorberplatten, in die die Rohre nach dem Walzpressverfahren eingebaut sind, und Fig. 2 die schaubildliche Darstellung einer Anordnung des Gerätes für die Einstellung eines vorher bestimmten Taupunktes bei einer Luftmenge, die durch den Kühlkanal geht, wobei nichtumwickelte, freiliegende Strahlungsabsorber verwendet wurden.
Die Kanalwände sind bei 1 schematisch dargestellt. Das Zuführungsband ist mit 2 und das Rückführ- band mit 3 bezeichnet. Parallel zu und im Abstand oberhalb und unterhalb vom Zuführungsband sind die Strahlungskühlplatten 4 und 5 angeordnet. Diese Kühlplatten sind vorzugsweise nach dem Walzpressverfahren mit eingebauten Rohren versehen und bestehen aus Platten 6 mit parallelen Rohrschlangen 7, die aus einem Stück mit den Platten gebildet sind. Die interne Zuleitung, durch welche das Kühlmittel zu den Rohren geliefert wird, ist mit 8 und die interne Rückleitung mit 9 bezeichnet.
In der Seitenwand des Kanals 1 ist die Öffnung 9a dargestellt, durch die die Luft mit dem vorher bestimmten Taupunkt in den Kanal eingeführt wird, wodurch eine Schicht klimatisierter Luft unterhalb der oberen Strahlungskühlfla- ehe und oberhalb der unteren Strahlungskühlfläche gebildet wird.
Das Förderband besteht vorzugsweise aus einer Kunststoff-Leinwand-Kombination, die von einer ultralangen Strahlung (100 -400 J. !) leicht durchdrungen wird, welche von den Gegenständen auf dem Förderband emittiert wird.
Zur Steuerung des Taupunktes der in den Kühler eingelassenen Luft können zwei Laugeschlangen 10
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