CN102781245A - 用于施行两种低温液体的喷射来冷却和/或深度冷冻产品的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在冷却装置中冷却材料、尤其是食品的方法，所述冷却完全或部分通过使所述材料与低温液体相接触而执行。所述方法的特征在于通过喷射两种低温液体——氮和CO₂——来执行所述接触。液氮和液态CO₂要么分开喷射到所述装置的至少两个喷射点中，要么通过在所述喷射点处混合两种低温流体而喷射。本发明在所采用的装置为混合、批量混合或研磨腔室的情况下有用，其中在所述腔室的底部执行向所述材料体部内的喷射。

Description

用于施行两种低温液体的喷射来冷却和/或深度冷冻产品的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于利用低温液体来冷却和/或深度冷冻一腔室的内容物的方法的领域。本发明尤其涉及在以下类型的装置中冷却食品：隧道、混合器、搅拌器、研磨器或揉面器、搅乳器、鼓（书面语言中为“滚筒”）等，该装置的内容物然后可成为固态或糊状——如肉的情况，或者成为液体。

背景技术

尽管在下文中更具体地说明食品的情形，但本发明决不应局限于它们的情形，本发明更加普遍地涉及许多其它产品，且尤其是经历此类低温冷却操作的化学品、生物产品、干细胞等。

在下文中，更详细地描述研磨搅拌器的情形以便更好地理解所面临的问题的概念。

在此类使用低温液体来冷却研磨搅拌器中的食品的应用中，优选使用CO₂，原因在于其在状态变化时传递大量制冷量的能力。

考虑肉混合器的示例，公知存在大量与使用液态CO₂——尤其是通过喷射到搅拌器的底部中——来改善低温液体与肉之间的热交换条件有关的文献。例如，参见文献US4476686和EP744578。

在肉领域的应用实际上相当广泛并标志着（所涉及的产品范围很宽，例如碎牛肉（牛肉，小牛肉）、肉末、绞肉（香肠等）、碎禽肉（奶酪火腿、炸块等））搅拌器中的温度控制必须非常有效的领域：

-需要补偿与混合和切碎有关的机械加热；

-希望获得适合随后的加工的质地。

但应注意，由于若干原因，该行业对研磨搅拌器的温度控制的需求指向液氮的使用。不过公知对于液氮而言，状态变化时的制冷量的利用率为对于CO₂的情况下的一半。

在下文中，随后归纳用于在此类搅拌器中高位或低位喷射CO₂或氮的方法的主要特征。

高位CO ₂ 喷射：

-仅利用CO₂的固相，但冷冻效率在20bar下有利地为64kcal/kg。

-该技术要求最佳进料水平并需要出料喇叭筒（喷射器）的数量适于将干冰沉积在肉的整个表面上而不形成成团的干冰，但必须了解高位喷射方案较容易。

-其特征在于固态肉/固态干冰相非常容易混合，干冰在产品的中心生成。

-该技术仍具有萃取干冰的风险，因此优选采用溢流萃取法。

-该技术通常局限于小型混合器和小的产量（通常每年不足100吨）。

-CO₂还具有抑制细菌效果，其限制了微生物的生长。

高位氮喷射：

-如上所述，该技术受在1.5bar下约为36kcal/kg的低冷冻效率限制。

-其特征还在于该技术具有冷点的风险并因此难以分配。

-因此，高位氮喷射使得需要监控和控制低喷射压力。

-由于所有这些原因，应注意，高位氮喷射使用得不是很多。

低位CO ₂ 和氮喷射：它使得可利用低温流体的状态变化的潜热以及气体的一部分比热。气体的这种利用取决于与产品的接触时间。

尽管在高位喷射中液氮与CO₂相比具有很大的冷冻效率障碍，但在低位喷射中，氮的冷冻效率接近CO₂的冷冻效率（气体与产品之间的接触时间使得可利用这些气体）。此外，氮具有提供了比CO₂低得多的脂肪与水的溶解度的优点。

在低位氮喷射中，所观察到的流体消耗比低位CO₂喷射大20%左右。

在本申请全文中，应理解，并且这是本发明的目的之一，能够具备一种用于在此类装置中且尤其在低位喷射流体的搅拌器中冷却产品的新颖方法将是有利的，该方法使得能够更好地利用气体且尤其是使得可利用在现有方法中目前未被利用的气体的部分。

发明内容

如在下文中将更详细地看到的，用于利用与产品相接触的低温液体在冷却装置中冷却产品的根据本发明的方法的特别之处在于，由于不是喷射单一流体而是喷射两种流体——液氮和液态CO₂——并通过CO₂与氮之间的制冷量/负大卡（frigorie）交换而将获得气体的更好利用，根据本发明，液氮和液态CO₂可在所述装置的至少两个喷射点分开喷射，或者通过在喷射点本身执行混合而喷射。

通过再次理解在搅拌器中的低位喷射的示例的情形中的概念，根据本发明的用于利用在腔室的底部中的材料团块内喷射的低温液体冷却被容纳在该腔室（混合器、搅拌器、研磨器等类型）中的产品团块的方法的特别之处在于，由于两种流体——氮和CO₂—而不是单一流体的喷射，并且通过CO₂与氮之间的制冷量交换，将获得气体的更好利用。

因此，本发明涉及一种用于利用在腔室的底部中的材料团块内喷射的低温液体在冷却装置中冷却产品、尤其是食品的方法，所使用的装置为混合器、搅拌器或者研磨器或揉面器类型的腔室，所述腔室可容纳待冷却的产品的团块，其特征在于，将两种低温液体——氮和CO₂——喷射到所述腔室的底部中的材料团块内，所述液氮和所述液态CO₂要么在所述装置的至少两个喷射点分开喷射，要么通过在至少一个喷射点就地产生混合物而喷射。

应注意，在大量与将低温液体喷射到低温冷却装置中有关的文献当中，发现文献EP1887296涉及用于供应产品冷却装置的低温混合物的生产。该文献认为经由分开的路线喷射不同流体是不理想的，其推荐在冷却腔室上游产生混合物并喷射该预先制成的混合物，该混合物然后通过使用上游混合腔室等而以很常见的方式与致冷剂（气态和/或液态和/或固态致冷剂）混合。

下文将尤其经由比较示例而且经由极为有效的在搅拌器型装置上的连接点处产生混合物的方法证实，该文献所作出的分析在低位喷射的搅拌器的情形中是错误的：一方面分开喷射液氮和液态CO₂而另一方面通过在搅拌器上的喷射点处产生混合物而低位喷射液氮和液态CO₂的混合物提供了良好的结果，并且通过CO₂与氮之间的制冷量交换有效地实现了气体的更好利用。

根据本发明的方案之一，在所述腔室的顶部另外设有强制对流系统，所述强制对流系统使得可回收并利用低温液体的低位喷射所致的冷气体的冷冻能力。

该强制对流系统可利用例如风扇或者利用涡轮形成，例如，举例而言，配设有5个倾斜45°的叶片的0.38kW型风扇。

根据本发明的实施方法之一，通过在所述装置的至少一个喷射点产生所述混合物而在所述喷射点喷射氮和CO₂这两种低温液体，所使用的喷射器使得可以在所述喷射点处执行所述两种液体之间的制冷量交换。

根据这种在喷射点处执行混合的方案的形式之一，所使用的喷射器是同心、双管式喷射器，液态CO₂优选经过外管（“最冷”温度经过内侧，“最高”温度经过外侧，与环境温度相接触）。

根据这种在喷射点处执行混合的方案的另一形式，所使用的喷射器为同心、三管式喷射器，优选地采用以下方式使用流体：

-液氮经过内管；

-液态CO₂进入第一管和与第一管同心的第二管之间的环形空间；

-液氮进入最外侧的第三管和与第三管同心的第二管之间的环形空间。

如下文将更好地说明的，申请人进行的实验清楚表明，喷射两种低温液体而不是一种液体对支配这种冷却方法的若干参数和性能有积极作用。

在绝不受申请人以下提出的说明限制的前提下，可认为很有利地发生以下现象。

两种低温液体被喷射到所述装置中，并且CO₂与氮之间发生制冷量交换，所述交换如将要可见的那样非常有价值。

尤其是见证了所形成的干冰的过冷却（sous-refroidissement）（公知在大气压下，所喷射的液态CO₂转化为干冰和气体形式），该过冷却增加了向产品传递制冷量的能力。

此外，通过考虑混合器、搅拌器等中的此类低位喷射情形，在此很可能见证以下事实：液氮通过将其热量/卡路里释放到产品中而在装置顶部产生具有非常低的温度的气体，并且朝装置顶部上升的气态CO₂随后在与该气体顶部空间（ciel）中存在的极冷的氮气相接触时固化，该干冰可再次返回而与产品相接触并将其制冷量传递至该产品（以与“高位喷射”方法中相同的方式）。

此外，应理解，对这种混合器的顶部增加的强制对流的存在（例如，通过设置风扇）也可增加这些传递。

此外，本发明可采取以下技术特征中的一个或多个：

-所述两种流体在所述装置上的至少两个喷射点处分开喷射，并且施行以下三个用于控制所述方法的步骤：

i）连续喷射所述两种流体直到在被处理的产品团块中获得设定点温度；

j）在给定的停止时间期间（例如数十秒，例如30秒）停止喷射；

k）测量被处理的团块中的温度：如果测得的温度大致等于期望的设定点温度，则将所述搅拌器转换至停机模式，而如果测得的温度大于设定点温度，则重新起动喷射直到达到所述设定点温度。

用语“停机模式”应理解为意味着搅拌（以及喷射）的停止，操作人员然后可在他认为合适的时候清空搅拌器。

此实施例对于处理显著不同（数量，质量，尤其是脂肪含量等方面）批次的材料特别有利，并且尤其适合以下事实：如将进一步看到的，本发明能够实现处理时间的明显缩短和因此大幅提高的生产率，从而在任何时间都不面临与被处理的产品的量相应地产生不同温度的风险的前提下缩短了必须执行的循环时间。

-根据本发明的一种实施方法，为了避免将干冰带入冷却装置的萃取系统，需要促进产品对在所述腔室顶部中生成的干冰的吸收，于是提出将萃取系统确定大小为不会促进能够传送干冰的气体速率。尽管期望的气体速率将因冷却装置的构造而异，但根据本发明，将优选使用称为“溢流萃取”的萃取。

需要提及的是，冷却或冷冻设备领域中的技术人员了解这些称为“溢流萃取”的萃取（如以下在图7中高度示意性地示出）的原理，其中要么在设备与萃取管路之间留下空间，要么在一个位置切割萃取管路本身。

本发明情形中的这种构型的优点尤其如下：

→“中断”使得此类冷气体的排出所致的冷凝物能够排出，同时限制这些冷凝物返回设备中的风险；

→“中断”使得可限制排出速率，且尤其可避免超速排出和因此将使得不仅可排出气体而且可排出在搅拌器的顶部中形成的干冰的速率（根据如由于本发明而获得的上述制冷量交换机制）。

-根据本发明的一种优选实施方法，对供应所述装置的液氮储器采用液相的压力调节（对罐底部的调节），以便促进到达所述装置的液氮的量被调节的状态，而不管氮储器的充填水平和因此液体的高度（“液柱”）如何。

对于罐底部的这种调节的实施例，可参考文献WO2004/005791A2，例如，通过调节储器顶部的气体的压力，例如通过使从储器底部抽取的液体蒸发以便形成输送到所述储器顶部的气体。

附图说明

本发明的其它特征和优点因而将从以下结合附图经由说明但不隐含任何限制而给出的描述变得更加显而易见，在附图中：

-图1是现有技术常规混合器（例如肉混合器）的示意性表示，该混合器具有两个槽，在混合器的每一侧采用位于混合器底部的一系列液氮喷嘴；

-图2示出了在具有一个槽的搅拌器中实施本发明的一种方法，其中利用在槽的同一侧执行的两种流体的两个分开喷射；

-图3提供了根据本发明的方案之一的混合腔室的顶部（罩盖）的局部视图，该顶部设有通过具有五个倾斜45°的叶片的两个风扇形成的强制对流系统；

-图4提供了本发明的方案的试验以及比较试验的一览表；

-图5提供了使得可在喷射点处执行混合的双管式喷射器的一个示例；

-图6提供了使得可在喷射点处执行混合的三管式喷射器的一个示例；以及

-图7提供了结合混合器的顶部示出溢流萃取结构的局部图。

具体实施方式

图1示出了现有技术常规混合器（例如肉混合器）的下部，该混合器具有两个槽2和3，其中在该装置的每一侧采用了一系列低温流体例如液氮喷嘴。

图中通过标号5象征性地示出了连接到混合器的壁的低温液体喷嘴，喷嘴本身由有利地如该图1中所示那样位于喷嘴之上的输送和供应轨道7经由软管6供应。

为了不多余地使该图杂乱，混合器的转子轴的轴线由具有标号4的简单十字代表，如图1所示的混合器的每个槽一个轴线。

如在审视该图1时可理解的，喷嘴沿各槽的壁的位置（角度β）以及各喷嘴相对于水平方向的倾角（角度α）在此情形中对于以下目的具有有利的值：一方面，防止低温液体射流的路径与混合器的轴和转子交叉（避免形成冷点的任何风险），同时包含被容纳在混合器中的待冷却产品团块的最大部分，而且，另一方面，由于喷嘴相对于水平方向的倾斜，当随后用水清洗混合器时，防止该水能够回流到低温液体供应管路中。

因此，认为大约45°的相对于竖直方向的角度β提供了良好的结果，并且至少10°的相对于水平方向的角度α是有利地采用的设置。

如上所述，图3提供了混合腔室（罩盖）的顶部的局部视图，其顶部在此设有由具有五个倾斜45°的叶片的两个风扇形成的强制对流系统。在此示出的方法当然只是一个示例性实施例，可设想诸多其它构造（风扇数量、每个风扇的叶片数量、倾斜度等）而不偏离本发明的范围。

图3所示的对流系统是用于以下提出的实践示例和比较示例（具有或不具有高位对流）的对流系统。

图5提供了双管式喷射器的一个示例，其使得可在喷射点处执行混合并因此在同一喷射点处实现两种气体之间的制冷量交换。

如根据本发明优选的，液态CO₂经过外管，这促进了氮对CO₂的冷却，限制了热增量，并且使得可易于对氮产生文丘里效应。

如本领域的技术人员将显而易见的，这种喷射器将尤其由于本领域的技术人员众所周知的可清洗性原因而优选地通过快速连接机构连接到所涉及的装置，例如具有低位喷射的搅拌器。

图6本身示出了使得可在喷射点处执行混合的三管式喷射器的一个示例。在此示出的方法采用以下方式使用流体：

-液氮经过内管；

-液态CO₂进入第一管和与第一管同心的第二管之间的环形空间；

-液氮进入最外侧的第三管和与第三管同心的第二管之间的环形空间。

在此还应理解，这种布置促进了旨在冷却液态CO₂的两种流体之间的接触。

如上所述，根据本发明的双管式或三管式喷射器（其使得可在搅拌器上的喷射点处执行混合），诸如图5和6的情形中所示的喷射器，可通过很简单的喷射器供应部件和快速连接机构供应并连接到所述的装置，但也可设想使用更复杂的喷射器供给阀，以使得能够自动控制流体在喷射器的各个通道之间的分配（例如由气动致动器驱动的阀）。

在下文中详细说明了在用于冷却肉团块的搅拌器的情形中本发明的实施例和比较示例的条件：

-使用Hobart牌搅拌器，其具有单个槽（如图2示意性地所示，并且当存在对流时其与附图3相对应）；

-低位喷射系统：使用位于所述槽的同一侧的两个喷射器，以及被同时驱动的两个电磁阀（将清楚地理解，可设想在每一侧上、在同一侧上等的其它喷射构型、数量并且将根据运行状况且尤其是根据搅拌器的类型、搅拌器的大小等进行选择）。

根据本发明，可使用很简单的市售喷射器如简单孔口式喷射器，或者更精密的喷射器，如申请人已如文献EP744578和EP2041026中所述开发的喷射器。

-所使用的低温流体源：

·使用在15bar和-20℃下储存的液态CO₂的储器，该储器被放置在称/天平上以便评估消耗；

·使用处于3.6bar的压力下的液氮储器，该储器在此也被放置在称上以便评估消耗；

-所处理的产品为已进行第一粗磨的含有20%脂肪的无骨制造的散装新鲜牛肉（冰点-1℃，含水量62%，冰点之上的比热0.85kcal/kg，冰点之下的比热0.36kcal/kg，潜热55kcal/kg）；

-预先研磨的肉的初始温度在从3.5℃至4℃的范围内，研磨后的基准温度为大致-1℃。

-利用低位CO₂喷射，一个混合循环的平均时间在该工业现场通常为12分钟。

-所遵循的协议：

·结合在搅拌器中的新鲜无骨制造的散装物的温度测量。

·连续喷射低温液体，使用或不使用强制对流（63赫兹），基于两个联系并被监控的因素：

-研磨器中的肉的温度为-0.6℃至-1℃；

-马达电流强度为6安培。

·同时：

o通过钳式电流表显示搅拌器的电流强度。

o记录搅拌器内部、搅拌器外侧的温度（与罩盖的开启/闭合相对应）和萃取气体的温度。

·测量无骨制造的散装物在研磨之后的温度。

·由生产负责人检查研磨制造的散装物以及在下游形成的牛排的外观和质地，所述检查通过对所形成的产品进行细菌分析而补充。

·对150kg批量的肉进行试验（视所涉及的试验而定，重复该试验3到4次，以确保观察结果的良好的可再现性和代表性）。

·在所有情形中，所述试验使用简单型喷射器（连接到混合器的简单管路）。

-试验No.1-对照例：单独喷射液氮，不使用附加对流。

-试验No.2-根据本发明：不使用对流的试验，按照图2分开喷射两种低温液体（在混合器同一侧的两个喷射器）。

-试验No.3：与No.2相同的试验，但在此另外使用高位对流。

换言之，这些试验的特征在于恒定的在处理结束时的电流强度（6A）、恒定的冷冻保持（在处理结束时的电流强度仍相同）、恒定的所使用并预先研磨的无骨制造的散装物、恒定的处理批次重量、恒定的在期望研磨之后的设定点温度（大致-1℃）。

将试验结果集合在以下图4中提供的表格中，所述结果使得可得出以下结论：

-通过实施本发明，清楚地观察到处理时间的缩短，这种缩短甚至高于当使用附加高位对流时；

-还清楚地观察到所使用的流体的消耗的减少。这种消耗的减少必然与根据本发明执行的CO₂的过冷却有关，而且与加热现象的限制有关，从而改善了热传递；

-强制对流的存在使得可进一步改善这些性能（处理时间和消耗）中的每一个；

-换言之，处理持续的时间越短，因此使用马达的时间就越短，这使得能够输入更少的源自外部的卡路里并且更低的马达传递至系统的机械能；

-相对于该场所的常规处理条件传递至团块的制冷量相同，该传递因此已得以改善，不论所述处理是否存在对流或者不存在高位强制对流。更具体而言，该过程的优化必然与累积效应的协同作用有关。

两种流体的使用使得可通过在材料团块内喷射的经过过冷却的CO₂进行操作，同时形成能够使朝腔室顶部逸散的气态CO₂重新固化的冷气体顶部空间。

此外，当使用高位强制对流时，应理解这仅增强了这些效应。

关于这种强制对流的作用，这些结果无疑证明了以下事实：引入腔室顶部的这种强制对流对在被处理的团块上执行的制冷量的整体传递有显而易见和积极的作用。

考虑到所处理的紧凑团块，或者考虑到在处理期间可用的时间——该时间看起来可能过短，这看起来可能矛盾。

可试图提供以下解释：通过比较，在常规的低温隧道中，安装0.20kW/m²的风扇以便实现80W/m/K的对流。根据本发明，且值得一提的是，通常可在每平方米上安装7.5kW，以便实现预计可在200W/m²/K左右的对流，这种对流强度相当大。

可认为本发明的状况于是部分地接近冲击型对流。

Claims (7)

1.一种用于利用在腔室的底部中的材料团块内喷射的低温液体在冷却装置中冷却产品、尤其是食品的方法，所使用的装置为混合器、搅拌器或者研磨器类型的腔室，所述腔室能够容纳待冷却的产品的团块，所述方法的特征在于，在所述腔室的底部中的所述材料团块内喷射两种低温液体——氮和CO₂，所述液氮和所述液态CO₂要么在所述装置的至少两个喷射点处分开喷射，要么通过在至少一个喷射点就地产生混合物而喷射。

2.如权利要求2所述的冷却方法，其特征在于，在所述腔室的顶部中另外设有强制对流系统，所述系统使得能够回收并利用所述低温液体的低位喷射所致的冷气体的冷冻能力。

3.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其特征在于，通过在所述装置的至少一个喷射点产生所述混合物而在所述喷射点喷射氮和CO₂这两种低温液体，所使用的喷射器使得能够在所述喷射点处执行所述两种液体之间的制冷量交换。

4.如权利要求3所述的冷却方法，其特征在于，所使用的喷射器为同心、双管式喷射器，所述液态CO₂优选地经过外管。

5.如权利要求3所述的冷却方法，其特征在于，所使用的喷射器为同心、三管式喷射器，所述喷射器优选地采用以下方式使用所述流体：

-液氮经过内管；

-液态CO₂进入第一管和与所述第一管同心的第二管之间的环形空间；

-液氮进入最外侧的第三管和与所述第三管同心的所述第二管之间的环形空间。

6.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其特征在于，在所述装置上的至少两个喷射点处分开喷射所述两种流体，并且施行以下三个用于控制所述方法的步骤：

i）连续喷射所述两种流体直到在所处理的产品团块中达到设定点温度；

j）停止所述喷射一给定的停止时间；

k）测量所处理的产品团块中的温度，并且如果测得的温度大致等于所述设定点温度，则将所述搅拌器转换为停机模式，而如果测得的温度大于所述设定点温度，则重新起动所述喷射直到达到所述设定点温度。

7.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其特征在于，所述装置设有气体萃取机构，并且这些机构属于称为溢流萃取的类型。

Images