CN100398946C - 冷冻产品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种冷冻产品的方法，该方法包括以下步骤：在与待冷冻的产品间接热交换中蒸发低温液并加热由此形成的蒸汽，功膨胀该热蒸汽，并使用因此获得的功膨胀的蒸汽冷冻该产品或另一产品。

Description

冷冻产品的方法和设备
本发明涉及一种冷冻产品的方法和设备，更具体但不是排他地，本发明涉及一种冷冻食品的方法和设备。
在过去的30年中，使用液氮冷冻食品有了飞速增长。对冷冻食品的质量的改进已为公知。尽管现在将液氮用于冷冻高级食品产品，但是其费用妨碍其用于冷冻不要求高价的食品中。这些食品通常是用机械冷冻进行冷冻的。
近年来，为了降低冷冻所给食品所需液氮的量，已进行了许多尝试，并且渐渐地已从经济角度可以将液氮用于冷冻日益广泛的食品中。
本发明旨在继续这一趋势。
本发明提供了一种冷冻产品的方法，该方法包括以下步骤：尽可能增加少许焓就将选自液氮和液态空气的低温液的压力升至10bar(表压)，在与待冷冻的产品间接热交换中蒸发该低温液并加热由此形成的蒸汽，功膨胀(work expanding)该热蒸汽，并使用因此获得的功膨胀的蒸汽冷冻该产品或另一产品。
如果需要的话，可以将经功膨胀的蒸汽引入与所述产品直接热交换进行冷冻。或者，可以将经功膨胀的蒸汽引入与所述产品间接热交换进行冷冻。
有利地，所述方法包括使用在所述功膨胀过程中回收的功以加热水的步骤。
或者，或此外，所述方法可以包括使用在所述功膨胀过程中回收的能量以驱动湍流引发扇的步骤。
或者或此外，所述方法可以包括使用至少部分在所述功膨胀过程中回收的功以至少部分给具有冷冻空间的机械冷冻机供以动力。
在一个实施方案中，所述方法包括在产品用低温液冷冻之后将所述产品通过所述冷冻空间的步骤。
在另一实施方式中，所述方法包括在用低温液冷冻产品之前将所述产品通过所述冷冻空间的步骤。
有利地，所述低温液为液氮并且所述方法包括以大于15bar(表压)，并且最好小于20bar(表压)的压力供应所述液氮的步骤。
优选地，所述产品为食品。
本发明也提供一种冷冻产品的设备，该设备包括用于尽可能增加少许焓就将选自液氮和液态空气的低温液的压力升至10bar(表压)的装置、冷冻库、在所述冷冻库中的热交换器和功膨胀机，是这样布置的：使用时，可以在所述热交换器中将所述低温液蒸发并加热，因此形成的蒸汽在所述功膨胀机中膨胀，然后用于在所述冷冻库中进一步冷冻产品。
有利地，所述设备还包括将膨胀的蒸汽从所述功膨胀机输送通过所述冷冻库与所述产品间接热交换的第二个热交换器。
优选地，所述设备包括将能量从所述功膨胀机传递到水的装置。
有利地，所述功膨胀机与扇相连以在所述冷冻库中引起湍流。
优选地，所述设备包括具有与此相连的压缩机的机械冷冻机，以及使用时将能量从所述功膨胀机传递到所述压缩机的装置。
在一个实施方式中，所述功膨胀机可以直接与所述压缩机连接。
在另一实施方式中，所述功膨胀机与发电机相连，所述压缩机与电动机相连，并且所述发电机与所述电动机相连。
优选地，所述设备包括功率控制单元，其中所述发电机与所述电动机通过所述功率控制单元相连。
有利地，所述功率控制单元可以与主电源相连，并且在使用时可以根据需要将能量直接从所述主电源引向所述电动机。
优选地，，所述机械冷冻机包括热交换器，将其布置以冷却与来自所述冷冻库的膨胀蒸汽热交换冷的所述压缩机的压缩致冷剂。
有利地，所述机械冷冻机包括冷冻空间。
在一个实施方案中，将所述冷冻空间在所述冷冻库的下游。
在另一实施方案中，将所述冷冻空间在所述冷冻库的上游。
在再一实施方案中，有两个冷冻空间(可以与单一机械冷冻机或分开且不同的机械冷冻机相连)，一个在所述冷冻库上游，另一个在其下游。
优选地，所述用于尽可能增加少许焓就将所述低温液的压力升高的装置包括泵。
有利地，所述泵能够以至少15bar(表压)的压力输送液氮。
现在借助实施例并参照附图以更好地理解本发明，其中：
图1为本发明设备的一个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图2为给定任务中所用液氮节约量与泵送液氮的压力的关系图；
图3为本发明设备的第二个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图4为本发明设备的第三个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图5为本发明设备的第四个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图6为本发明设备的第五个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图7为本发明设备的第六个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图8为相应于图1所示设备操作的压力-焓图；
图9为本发明设备的第七个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图10为本发明设备的第八个实施方案的侧视图，其中部分为横截面；
图11为本发明设备的第九个实施方案的简易横截面图；
图12为本发明设备的第十个实施方案的简易横截面图；以及
图13为本发明设备的第十一个实施方案的简易横截面图。
参照图1，显示出一般标号为10的低温贮藏容器。
安装泵11以在-196℃下从低温贮藏容器10取出液氮并将其泵至约14bar(表压)。
然后将液氮通过热交换器12，在其中液氮蒸发并冷冻正在传送带14上被运输通过冷冻隧道15的食品13。
该氮蒸汽以约-40℃离开热交换器，然后通过功膨胀机16经功膨胀至大气压。将离开功膨胀机的低温氮蒸汽引入冷冻隧道15以与食品13直接热交换。
该氮气通过排风管17离开冷冻隧道15并被排放到大气中。安装湍流引发扇18以改善冷冻隧道15中的氮蒸汽和常规食品13之间的热传递。
计算显示出该冷冻隧道比直接从低温贮藏容器供应液氮并以约1bar(表压)将液氮通过传统喷嘴引入冷冻隧道的传统隧道式冷冻机少使用将近25％的液氮。
除上述节约之外，还将注意到另外两种节约。具体地说，可在功膨胀机16中获得的能量可以回收并用于辅助目的，例如用于加热定期清洁冷冻隧道所需的大量水。此外应说明的是该泵11不需要用于分散液氮的常规蒸发器布置。具体地说，在传统布置中低温贮藏容器中的少部分液氮被抽出并蒸发。然后将典型地在压力高达3.5bar(绝对)(2.5bar(表压))的该蒸汽引入低温贮藏容器的上部，在其中对低温贮藏容器10加压。泵11的使用消除了需要蒸发器并且实现了大量节约液氮。
最好尽可能增加少许焓就将贮藏容器10中液体的压力升高。特别推荐使用泵将液氮泵送到所需压力。已知通过将一小部分液氮蒸发并将由此形成的蒸汽输入贮藏容器的上部就可以使该液氮压力升高。但是，使用这种布置几乎肯定将导致焓不可接受的增加，这将大大降低或甚至否定所预想的节约。同样可以想象，通过使用加压氦气加压贮藏容器中的液氮能使该压力升高。但是，这显然很昂贵并且不实用。
该液氮应升到的压力影响了可能达到的节约。
如图2所示，该压力从1增加到10bar(表压)时该节约快速增加。但是，之后改善的速度快速降低。由此可看出，在约2.5bar(表压)的压力下可以达到10％的节约，在10bar(表压)的压力下可以达到约18％的节约。但是，在约13bar(表压)下达到更大的节约。由图2可以看出，在约20bar(表压)下增加的改善非常小，并且很显然不会在高于该压力下操作。
应说明的是图2中所示的曲线是假定功膨胀机的效率为88％。但是，考虑更高效率的功膨胀机显示出与图2中所示相似的曲线，并且有用操作压力的范围与图2中所示的相同。
可以想到对所述的实施方案进行各种改进，例如可以使用间接热交换器在冷冻隧道15的分离室上游或下游冷却食品。或者，在具有几条食品生产线的工厂中可以使用间接热交换器在或与其有关的单独且不同食品生产线中冷却食品。
在图3所述的另一实施方案中，与图1中功能相似的部件具有相似的标号但以“100”序列表示。应说明的是主要不同是用往复泵111替换了离心泵11，并且在膨胀的氮蒸汽排放到大气中之前将其通过隧道冷冻库115中的间接热交换器118。这种布置保证了没有氮蒸汽进入车间。
图4中所示的实施方案通常与图3中所示的相似，具有相似功能的部件标记为相似标号并以“200”序列表示。仅有的主要不同是将功膨胀机用于驱动交流发电机219，该交流发电机与用于加热设备线路清洗用的水221的电加热元件220相连。如果需要的话，该交流发电机219可以简单地用适宜吸收能量的设备替换，例如被布置直接加热水221的摩擦制动装置。如果需要的话，可以将该功膨胀机216用于驱动可以用于压缩的压缩机，因此加热例如可以用于加热水221的气体如空气。可以将被称为“缩展器”(将压缩机和功膨胀机组合)的直接偶合装置用于该目的是有利的。
在图5中所示的实施方案中，将来自功膨胀机316的能量用于驱动湍流引发扇317。如果需要的话，可将部分获得能量用于驱动湍流引发扇317。应理解为湍流引发扇317消耗的能量将回到冷冻隧道里面。但是，相同量的能量会被驱动与扇117相似的湍流引发扇的电动机传送。
在图6中所示的实施方案中，离开热交换器412的热氮蒸汽以两个阶段经功膨胀机416a和功膨胀机416b膨胀。目前不能预计使用两个串联连接的功膨胀机将是必需的，尽管认为在泵411将液氮泵送到相对高压的情况下这是必须考虑的。
在图7中所示的实施方案中，来自泵511的液氮通过普通总管到达8个平行相连的单独热交换器512中。以-40℃离开每个热交换器512的热蒸汽通过与各自湍流引发扇516相连的各自功膨胀机516膨胀。离开每个湍流引发扇516的冷蒸汽被直接引入在接近湍流引发扇附近的冷冻隧道中。
图8显示了相应于图1所示设备的压力-焓简图。可以看出泵11以大致等熵地将液氮压力从点A升高到点B。然后将该液氮蒸发并加热，以点C进入功膨胀机116.沿线CD发生功膨胀。可以获得从点D到点E的进一步冷冻。相反地，在传统液氮冷冻库中操作线直接由点A到点E。
由上面的讨论应理解，可以通过旋转或往复机械进行功膨胀，并且通过Joule Thompson(J-T)阀的膨胀好处(如果有的话)是可忽略的。
尽管本发明具体涉及使用液氮，但是也可以使用液态空气。有趣的是，所获得的节约稍微低于由液氮获得的，尽管优选压力范围基本上相同。显然，在本发明中使用液态二氧化碳冷冻食品几乎没有或根本没有好处。
尽管设想本发明对连续冷冻库，特别是用于冷冻食品特别有吸引力，但是本发明既可用于批次冷冻库也可用于连续冷冻库。
图9中所示的实施方案通常与图4中所示的相似，功能相似的部件以“600”序列通过相似标号标记。主要不同是将交流发电机619连接到功率控制单元622，该功率控制单元与通常标记的标号为624的机械冷冻单元的电动机623相连。
该机械冷冻单元624包括压缩机625，热交换器626、膨胀阀627和冷冻空间629中的冷冻蛇管628。
使用时，交流发电机619产生的功率经过功率控制单元622引向电动机623。电动机623驱动压缩例如氨气、R22、R134A和甲烷的适宜致冷剂的压缩机625。离开压缩机625的该热的致冷剂通过与热交换器626中的水热交换冷却。然后该冷的致冷剂通过阀627膨胀。然后将该冷的致冷剂通过冷冻空间629中的冷冻蛇管628。该致冷剂离开冷冻空间并回到压缩机625的入口。由于从交流发电机619获得的功率可能改变，因此功率控制单元622与主电源630相连并布置成使不能从交流发电机619获得的任何功率而从电源630抽出。
图10中所示的实施方案与图9中的相似，功能相似的部件以“700”序列通过相似标号标记。主要不同是热交换器726已由被布置接受离开热交换器718的膨胀的氮蒸汽的热交换器731补充，该膨胀的氮蒸汽典型地为约-40℃。
使用时，离开热交换器726的冷却致的冷剂或者进一步被冷却和/或部分在热交换器731中冷凝，因此提供冷冻空间729的进一步冷冻。可以想象在某些实施方案中可以将该热交换器726省去。
如果需要的话，可以将该功膨胀机616；716直接机械地偶合到压缩机625；725上，只要如果需要或当需要时可通过主电源功率630；730驱动压缩机625；725。
冷冻空间629；729可以是分开的，并与冷冻隧道615；715不同。但是，根据被冷冻的食品优选布置成靠近其上游或靠近其下游。的确，可以想象一些冷冻隧道应在其任一末端提供可以单独或一起冷冻的空间。
图11图示出在其下游配备有冷冻空间829的冷冻隧道815。该布置特别适宜于希望尽可能快地获得冷冻外壳，并且之后使该产品在冷冻空间完全冷冻。在冷冻空间829中配备一湍流引发扇，以改善正在冷冻的产品的热传递。
图12图示出在其上游配备冷冻空间929的冷冻隧道915。这样布置特别适宜于将产品以相对慢且相对便宜的初冷冷却到刚刚在其冰点以上，不致使冷冻产品的质量造成任何大的损害。
图13图示出配备分别位于冷冻隧道1035的上游和下游的两个冷冻空间1029a和1029b的冷冻隧道1035。这样布置特别适宜于以相对慢的速度冷却到刚刚冰点以上，接着快速外壳冷冻，并且保持平衡期。
为了保持卫生的高标准，定期将许多速度冷冻库停止并经蒸汽清洗，例如对单一产品冷冻库每24小时，或者当冷冻小批量鲜美食产品时每6或7小时。在冷冻隧道可以再次使用之前，它必需经冷却。这通常通过将液氮进入冷冻隧道直到达到所需温度来实现。应理解为，尽管使用液氮的初冷却非常快，但是也是非常昂贵的。通过使用外加电源以机械地冷却冷冻空间并从其中抽出冷空气通过冷冻隧道以获得部分初冷却，可以大大节约成本。
如上所述，可以使用液态空气作为低温液，如果这样使用，将其泵压到用液氮时的压力是有利的。

Claims (27)

1.一种冷冻产品的方法，该方法包括以下步骤：尽可能增加少许焓就将选自液氮和液态空气的低温液的压力升至10bar(表压)，在与待冷冻的产品间接热交换中蒸发该低温液并加热由此形成的蒸汽，功膨胀该热蒸汽，并使用因此获得的功膨胀的蒸汽冷冻该产品或另一产品。
2.如权利要求1的方法，其中将该功膨胀的蒸汽与所述产品直接热交换并冷冻。
3.如权利要求1的方法，其中将该功膨胀的蒸汽与所述产品间接热交换并冷冻。
4.如上面任一权利要求的方法，包括使用在所述功膨胀过程中回收的功以加热水的步骤。
5.如上面任一权利要求的方法，包括使用在所述功膨胀过程中回收的功以驱动湍流引发扇的步骤。
6.如上面任一权利要求的方法，包括将至少部分在所述功膨胀过程中回收的功至少部分地作为具有冷冻空间的机械冷冻机动力。
7.如权利要求6的方法，包括在用低温液冷冻产品之后将所述产品通过所述冷冻空间的步骤。
8.如权利要求6或7的方法，包括在用低温液冷冻产品之前将所述产品通过所述冷冻空间的步骤。
9.如权利要求8的方法，其中所述低温液为液氮，并且所述方法包括以大于15bar(表压)的压力供应所述低温液的步骤。
10.如权利要求9的方法，其中所述方法包括以大于20bar(表压)的压力供应所述低温液的步骤。
11.如上面任一权利要求的方法，其中所述产品为食品。
12.一种冷冻产品的设备，该设备包括用于尽可能增加少许焓就将选自液氮和液态空气的低温液的压力升至10bar(表压)的装置、冷冻库、在所述冷冻库中的热交换器和功膨胀机，是这样布置的：使用时，所述低温液可以在所述热交换器中经蒸发并加热，由此形成的蒸汽在所述功膨胀机中膨胀，然后在所述冷冻库中进一步冷冻产品。
13.如权利要求12的设备，还包括第二个热交换器，以将膨胀的蒸汽从所述功膨胀机输送通过所述冷冻库与所述产品间接热交换。
14.如权利要求12或13的设备，包括将能量从所述功膨胀机转移到水的装置。
15.如权利要求12、13或14的设备，其中所述功膨胀机与在所述冷冻库中引发湍流的扇相连。
16.如权利要求12-15任一项中的设备，包括具有与其相连的压缩机的机械冷冻机，以及在使用时将能量从所述功膨胀机转移到所述压缩机的装置。
17.如权利要求16的设备，其中所述功膨胀机与所述压缩机直接相连。
18.如权利要求16或17的设备，其中所述功膨胀机与发电机相连，所述压缩机与电动机相连，并且所述发电机与所述电动机相连。
19.如权利要求18的设备，包括功率控制单元，其中所述发电机经功率控制单元与所述电动机相连。
20.如权利要求19的设备，其中所述功率控制单元可与主电源相连，并且在使用时如需要可将能量从所述主电源直接送到所述电动机。
21.如权利要求16-20任一项中的设备，其中所述机械冷冻机包括热交换器，将其布置成与来自所述冷冻库的膨胀的蒸汽热交换以冷却来自压缩机的压缩致冷剂。
22.如权利要求16-21任一项中的设备，其中所述机械冷冻机包括冷冻空间。
23.如权利要求22的设备，其中所述冷冻空间安置在所述冷冻库的下游。
24.如权利要求22的设备，其中所述冷冻空间在所述冷冻库的上游。
25.如权利要求22-24任一项中的设备，包括两个冷冻空间，一个安置在所述冷冻库的上游，另一个安置在其下游。
26.如权利要求16-25任一项中的设备，其中所述用于尽可能增加少许焓就将所述低温液的压力升高的装置包括泵。
27.如权利要求6的设备，其中所述泵能以至少15bar(表压)的压力输送液氮。
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