CN109477504B - 用于冷却液体产品的在线低温方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于冷却诸如调味汁的加热的流体食物产品的在线直接低温方法和系统。该方法包括将冷冻剂直接注入到待冷却的流体中，同时响应下游温度测量值调节待冷却流体的流量，同时保持冷冻剂向流体中的注入速率。根据该方法，在冷冻剂流动期间调节调味汁的流量，以实现过程稳定性、产品均匀性和冷冻剂的高效使用。

Description

用于冷却液体产品的在线低温方法和系统

技术领域

本发明的实施例涉及快速降低液体产品的温度的方法和系统，所述液体产品例如但不限于食品加工和制备工业中的液体产品。该方法和系统可用于快速降低液体食物产品的温度，例如但不限于调味汁、汤、卤汁、乳制品或其它加热或巴氏杀菌的液体。

背景技术

在诸如调味汁的液体食物产品的制备过程中，调味汁被加热到约190°F(88℃)的温度。调味汁接着必须尽快冷却，以达到食品安全要求并保持产品质量。例如，调味汁的冷却速度的提高减少了产品上的细菌生长。调味汁产品的快速冷却也有助于更大的生产量和更大的灵活性来处理高热负荷输入产品。

几乎所有低温激冷和冷冻应用都利用冷冻剂管道中的调制控制阀来调节进入过程的冷冻剂的流量，以控制整个过程的温度。已知将该过程的期望设定点温度输入到控制系统中，并控制进入该过程的液体冷冻剂的流量，直到达到期望的设定点温度。一旦达到设定点温度，调制控制阀开始关闭，并采用比例积分微分(PID)控制回路来调节冷冻剂流量，以保持稳态条件。

已知的调味汁激冷方法从约190°F(88℃)到约40°F(4℃)采用高达30加仑/分钟(GPM)的激冷速率。调制控制阀与已知控制方法的结合使用对于食物产品的这种快速激冷是没有用的。激冷过程如此之快，以至于使用带有标准PID控制回路的调制控制阀的响应可能不够快。由冷冻剂注射器产生的快速冷却(例如，在约2.6秒内190°F至40°F)使得不可能通过使用在向冷冻剂注射器供给的冷冻剂管道上的调制控制阀的已知的传统方法进行温度控制。这种常规控制太慢，无法对不断变化的调味汁和液体冷冻剂质量条件做出反应。调制控制阀的物理和机械限制以及由大量控制部件、过程分析和输入冷冻剂的质量的可变性导致的固有滞后使得已知的控制方法无法用于非常快速的激冷方法。

发明内容

本发明的实施例涉及一种用于流体快速冷却的方法，包括：提供待冷却流体的源；使待冷却的流体流过管道；将冷冻剂注入流体中；在注入冷冻剂之后，用第一温度传感器第一次测量管道中流动的流体的温度；在第一次测量之后，用第二温度传感器第二次测量流动的流体的温度；以及响应于第一和第二温度传感器的温度测量值之间的差异来调节通过管道的流体的流量，同时保持冷冻剂的注入速率并保持第一和第二温度传感器之间的温度差。

根据某些说明性实施例，冷冻剂的注入和保持第一和第二温度传感器之间的温度差各自以基本上恒定的速率进行。根据另外的说明性实施例，冷冻剂的注入和保持第一和第二温度传感器之间的温度差各自以选定的恒定速率进行。

本发明的实施例还涉及一种用于快速冷却流体的系统，包括：待冷却流体的源；用于流动流体的管道；泵，其与用于流动流体的管道流体连通；冷冻剂源；冷冻剂注射器，其位于泵下游并与管道流体连通以将冷冻剂注入流体；第一温度传感器，其位于冷冻剂注射器下游，并与管道中的流动的流体连通；收集器皿，其用于收集流动的流体，并位于第一温度传感器下游；第二温度传感器，其位于第一温度传感器下游，并与收集器皿中的流体连通；以及控制器，其与泵以及第一和第二温度传感器连通，该控制器响应于来自所述第一和第二传感器中的每一个的信号，用于调节泵的速度，以控制流动的流体。

附图说明

本发明的前述和其它特征和优点将从在附图中示出的本发明的实施例的以下包括附图是为了提供对本文提供的设备和方法的进一步理解，该附图并入本说明书中并构成其一部分。附图图示了本文提供的设备和方法的实施例，并与说明书一起用于解释本文所述原理，但并非意图限制说明书或任何权利要求。

图1示出了内嵌式直接冷冻剂冷却设备的说明性实施例。

图2是内嵌式直接冷冻剂冷却设备的控制器的逻辑的说明性实施例的示意图。

具体实施方式

本文提供了一种用于流体的快速、连续在线冷却的方法，该方法包括：使用泵泵送待冷却的流体；通过以基本上恒定的速率向流体中注入冷冻剂来在线冷却流体；在系统中的各个位置采样温度；以及调节待冷却流体的流量。温度读数被发送到控制器，控制器改变泵的速度，以保持系统中不同位置之间的恒定温度差。因此，控制诸如调味汁的流体的流量以满足期望的温度。本控制方法和系统消除了对冷冻剂管道中的调制控制阀的需要，并消除了与传统控制方法相关联的滞后。

根据某些说明性实施例，在在线直接低温冷却方法期间，调味汁例如通过内嵌式泵和内嵌式冷冻剂注射器从烹饪器皿中泵出，并进入冷却器皿，在冷却器皿中，调味汁可以缓慢混合，以达到调味汁的最终平衡温度。

还提供了一种用于降低处理管线中液体产品的温度的设备，该系统包括待冷却流体的源、与该源连通的泵、配置成以选定的速率将冷冻剂注入流体的冷冻剂注射器以及多个温度传感器。选定的速率可以是向流动的流体中注入冷冻剂的基本上恒定的速率或恒定速率。温度传感器被配置为向至少一个控制器发送数据。控制器改变泵的速度，以保持两个传感器之间的恒定温度差。

本发明的实施例涉及一种在食品制备和加工工业中快速冷却诸如食物产品的流体的方法。该过程包括提供待冷却流体的源。待冷却的流体例如通过泵送待冷却的流体通过管道而流动。合适的冷冻剂被直接注入流过管道的流体中，并与流体直接接触以冷却流体。冷冻剂在整个冷却过程中以基本上恒定的速率注入流体。

为了在冷却过程中保持稳态条件，被冷却流体的温度由位于冷冻剂注射器下游的温度传感器测量。在将冷冻剂注入到流体中之后，首先由第一温度传感器测量管道中流动的流体的温度。用位于第一温度传感器下游的第二温度传感器测量流动的流体的温度，并且在用第一温度传感器测量流动的流体的温度之后进行测量。第一和第二温度传感器向控制器发送表示温度测量值的信号。控制器分析从第一和第二温度传感器发送到控制器并由控制器接收的温度测量数据，并调节通过管道的流体的流量。因此，基于第一和第二温度传感器的温度测量值之间的差来调节通过该过程的流体的流量。通过该过程的流体的流量可以被调节，以保持冷冻剂向流体中的基本恒定的注入速率，从而保持第一和第二温度传感器之间基本恒定的温度差，并因此保持该过程的稳态条件。

本发明的实施例还涉及一种用于流体的快速冷却的系统。该系统包括待冷却流体的源，该流体源可以是容器、壳体、罐或其它器皿，包含加热的流体，例如加热的调味汁。该系统包括用于使待冷却的流体流过该系统的管道。提供与流体源流体连通的泵，用于将待冷却的流体泵送通过系统。提供收集或终点容器、壳体、罐或其它器皿，用于收集已经被冷却系统和过程冷却的流体。

内嵌式直接冷却设备包括冷冻剂注入系统。冷冻剂注入系统包括合适的冷冻剂源，该冷冻剂用于冷却流过该过程的流体。冷冻剂源可以是容器、壳体、罐或适于保持冷冻剂直到冷冻剂被注入管道并进入过程的其它器皿。冷冻剂源和冷冻剂收集器与在设备的这两个部件之间延伸的合适的冷冻剂管道流体连通。冷冻剂注射器与设备的流体管道串联联接，并位于泵的下游。冷冻剂注射器被配置成以基本上恒定的速率将冷冻剂注入到流动的流体中。根据替代的说明性实施例，在冷却系统和方法中可以使用多于一个的内嵌式冷冻剂注射器。

根据本发明的实施例，但非限制地，并且仅作为示例，用于冷却流体的合适冷冻剂可以选自由氮、二氧化碳和它们的混合物组成的组。术语“冷冻剂”是指在注入管道并与待冷却的流动流体直接接触之前，温度为约-320°F(-196℃)至约0°F(-18℃)的冷却物质。冷冻剂可以通过注射器、喷枪或一个或多个喷嘴直接注入流过系统的流体。冷冻剂的使用是开放式或直接冷却系统，这种直接注入步骤在极冷的冷冻剂和热流体或调味汁之间产生对流相互作用，这允许产品处更快的热传递，并产生温热的冷冻剂气体。根据某些说明性实施例，冷冻剂可以是液氮。

温度传感器联接到管道和收集器皿，用于在冷却过程中测量不同点或位置的流体温度，并用于反馈控制回路中，以控制冷却过程的稳态条件。控制器联接到温度传感器和泵，以在冷却过程中控制和调节泵的速度。

根据说明性实施例，第一温度传感器位于冷冻剂注射器的下游。第一温度传感器与管道连通，并联接到控制器，用于将温度测量值传送回控制器。第二温度传感器位于第一温度传感器下游，并与收集器皿连通。第二温度传感器也联接到控制器，用于将温度测量值传送回控制器。

基于由第一和第二温度传感器发送到控制器的温度测量值，控制器控制通过设备的流体的流量。控制器可以通过但不限于泵或阀来控制流体的流量。泵可以是正排量泵，控制器可以是比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)、模型预测控制(MPC)或马尔可夫链型控制器。根据某些说明性实施例，通过用PID控制器改变正排量泵的速度，调味汁被冷却以保持基本上恒定的温度变化。

该设备和方法还可以包括排气出口，用于从该设备排出在冷却方法期间产生的冷冻剂气体。通向外部环境的排气出口排出废冷冻剂气体，该废冷冻剂气体已经从被冷却的产品中带走热量和水分。排气出口可包括与经冷却的调味汁的收集器皿流体连通的出口端口。根据替代实施例，排气出口可以与收集器皿上游的流体管道流体连通。

在进一步详细解释本发明的实施例之前，应该理解，本发明的应用不限于附图中示出的部件(如果有的话)的构造和布置的细节，因为本发明能够有其他实施例，并且可以以各种方式实践或执行。另外，应当理解，本文采用的措辞或术语是为了描述目的，而不是为了限制。

图1示出了直接内嵌式冷冻剂冷却设备10的说明性实施例。内嵌式冷却设备10包括第一烹饪罐12，用于保持一定量的食物产品15，例如加热的调味汁，以通过该设备和方法冷却。第一罐12包括用于接收一定量食物产品的食物产品入口14。第一罐12还包括食物产品出口16，用于将加热的食物产品从第一罐12向管道20释放以进行冷却。第一罐12与泵18流体连通，用于通过管道20将加热的食物产品从第一罐12输送到冷冻剂注射器26。泵18定位成与管道20串联。用于将加热的食物产品从第一罐12输送到冷冻剂注射器26的泵18可以是正位移泵。泵18由机械和/或电气控制器30控制，并电联接32到控制器30。

流过管道20的调味汁由泵18泵送通过管道20的另一段或区段，然后通过冷冻剂注射器26，调味汁在冷冻剂注射器26中经受以恒定速率注入管道20的冷冻剂。

冷冻剂注入系统22包括冷冻剂源24，冷冻剂源24通过冷冻剂管道28与冷冻剂注射器26流体连通。冷冻剂可以是例如但不限于液氮(LIN)。冷冻剂注射器26被构造和布置成将冷冻剂直接注入到流过管道20的加热的食物产品中。冷冻剂注射器26与管道20串联定位，并将冷冻剂直接注入到管道20中，从而消除了对夹套或其它外部热交换器的需要。注入管道20的冷冻剂与流过管道20的流体直接接触。冷冻剂注入系统22以基本上恒定的速率将冷冻剂注入管道20，从而消除了在线直接冷却过程中和/或利用调制控制阀对冷冻剂注入速率进行操作计算或控制的需要。

内嵌式冷却设备10还包括第二收集罐50(即平衡罐)。第二罐50被构造和布置在系统22的下游，以收集或以其它方式接收通过管道20的冷却的食物产品。第二罐50包括与管道20流体连通的食物产品入口52。冷却的调味汁从冷冻剂注射器26排出到延伸到第二罐的入口52的管道20的另一段中。第二罐50还包括食物产品出口54，用于将冷却的食物产品释放到管道55中，以用于随后的下游进一步加工或包装。根据替代实施例，食物产品可以从管道55返回到第一罐12或管道20，以利用冷冻剂注入系统22进行另一轮冷却。第二罐50还包括排放出口60，用于排放在线直接冷冻剂冷却方法期间产生的冷冻剂气体51。第二罐50附加包括第二温度传感器56，该第二温度传感器56被配置为测量已经通过入口52进入罐50的食物产品的温度。第二罐50还可以设置有用于密封和进入罐内部的盖子。

第一温度传感器40定位在冷冻剂注射器26的下游。第一温度传感器40被构造和布置成测量在温度传感器40的区域中通过管道20的区段的流动食物产品的温度。第二温度传感器56位于第一温度传感器40的下游，并与收集罐50连通。

由第一温度传感器40和第二温度传感器56获得的温度测量值被发送到控制器30。控制器30被构造和布置成调节泵18的速度，以便调节通过设备10的食物产品的流量，同时仍然保持冷冻剂从冷冻剂源24到管道20中的选定注入速率，例如基本上恒定或恒定的注入速率。控制食物产品的流量提供了由温度传感器40、56测量的恒定的、用户定义的目标温度差。

泵18与第一罐12流体连通。泵18被配置成经由控制器输出32从控制器30接收数据，并且可以调节通过管道20的食物产品的流量。如果控制器30检测到温度传感器40、56之间的温度差太小，则控制器30将减慢泵18，以便增加冷冻剂与流体食物产品在管道20中的停留时间。减慢泵18由此导致温度传感器40、56之间的温度差的量值增加。如果控制器30检测到温度传感器40、56之间的温度差太大，则控制器30将增加通过泵18的流体食物产品的流量，以便减少冷冻剂与流体食物产品在管道20中的停留时间。增加通过泵18的食物产品的流量导致温度传感器40、56之间的温度差量值的减小。

作为具体示例，但不限于，第一温度传感器40测量正在冷却的调味汁的下游温度。基于调味汁的特性，已知在温度传感器40的控制点需要约30°F(约-1.1℃)至约40°F(约4.4℃)的偏差ΔT。如果需要约40°F的期望平衡调味汁温度，那么温度传感器40的控制点将是70°F(40°F+30°F)。在冷却过程运行几分钟后，用第二温度传感器56测量已经被接收到第二罐50中的调味汁的温度，以指示调味汁的最终平衡温度。为了实现调味汁的最终所需平衡温度并维持该过程的稳态条件，实时调节第一温度传感器40的控制点处的感应温度偏差。例如，如果由第二温度传感器56获得的第二罐50中的调味汁的温度测量值是45°F，而不是目标40°F，则第一温度传感器40的控制点处的偏差ΔT实时减小5°F。这自动且实时地将第一温度传感器40的控制点的设定点温度重置为65°F(40°F+25°F)。因此，该方法和系统能够基于冷却循环期间经历的温度条件实时地自调节。

图2示出了包括数据入口34、36、控制器输出32和用户定义的数据入口38的控制器30。控制器输出32与泵18连通，以便调节泵18的速度，以保持温度传感器40、56之间恒定的、用户定义的目标温度差。控制器30还包括比较单元37，用于计算温度传感器40、56之间的用户定义的目标温度差(ΔT-目标)和两者之间的实时测量的温度差(ΔT-实际)之间的差值。由比较单元37计算的任何误差被发送到与比较单元37电连通的复合PID单元38。复合PID单元38在计算由求和单元39中的每个其它部件产生的误差校正信号的总和之后，向泵18发送信号，以便自动调节泵18的速度，从而保持传感器40、56之间恒定的、用户定义的目标温度差。

由温度传感器40、56发送到控制器30的温度测量值首先在比较单元37中进行比较，以便根据以下公式获得ΔT-实际：

ΔT-实际＝传感器56处的温度–传感器40处的温度

该ΔT-实际然后被发送到比较单元37的第二阶段，以便将ΔT-实际与用户定义的目标ΔT-目标进行比较，该目标ΔT-目标通过用户定义的输入34被编程到控制器30中。比较单元37中的ΔT-实际和ΔT-目标的比较根据以下等式产生任意给定时间点的误差函数值：

Error(t)＝ΔT-目标–ΔT-实际

如果控制器30是如图2所示的标准PID控制器，Error(t)的值被发送到复合PID单元38的三个独立部分。复合PID单元38利用Error(t)执行三种不同的计算，比例部分根据以下表达式：

Kp*Error(t)；

积分部分根据以下表达式：

微分部分根据以下表达式：

Kd*d(Error(t))/dt；

其中，Kp、Ki和Kd是表示赋予复合PID单元38的各个部分的相对权重乘以各个部分的数值常数。每个单独的部分在PID求和部分39中求和，并通过控制器输出32发送到泵18，以便在传感器40、56之间保持恒定的用户定义的温度差。

本发明的实施例有助于液体产品的更快和更高效的激冷，以增加产量，同时减少对液体产品的污染。本发明的实施例还提供了实施例所连接的任何处理系统的更大灵活性，相对于输入到系统中的高液体产品，提高了生产率和灵活性，当然，系统现在可以作用于更大范围的液体产品。

由于液体产品混合的方式，提高了产品温度的一致性，从而液体产品的最终降温速率提供了改进的产品质量，同时减少了产品浪费。本发明的实施例还提供了冷冻剂冷却剂的更有效和高效的使用。

应当理解，本文描述的实施例仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行变化和修改。所有这样的变化和修改都旨在包括在本文描述和要求保护的本发明的范围内。此外，所公开的所有实施例不一定是可选的，因为本发明的各种实施例可以被组合以提供期望的结果。

Claims (10)

1.一种用于快速冷却流体的方法，包括：

提供待冷却流体的源；

使所述待冷却的流体流过管道；

将冷冻剂注入所述流体中；

在所述注入所述冷冻剂之后，用第一温度传感器第一次测量所述管道中流动的流体的温度；

在所述第一次测量之后，用第二温度传感器第二次测量流出所述管道的所述流体的温度；以及

响应于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的温度测量值之间的差异来调节通过所述管道的所述流体的流量，同时保持所述冷冻剂的所述注入的速率并保持所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的温度差，其中，所述冷冻剂的注入的速率为选定的恒定速率，并且所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的温度差为选定的恒定温度差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将来自所述第一温度传感器和第二温度传感器的温度测量值传送到控制器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节所述流体的流量是通过选自由泵和阀组成的组的装置进行的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体选自由调味汁、汤、卤汁和乳制品组成的组。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述流体包括可食用调味汁。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节是通过选自由PI、PD、PID、MPC和马尔可夫链控制器组成的组的控制器进行的。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷冻剂选自由氮、二氧化碳以及它们的混合物组成的组。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冷冻剂包括液氮。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在收集罐中收集冷却的流体。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括排出在所述流体的冷却期间产生的冷冻剂气体。

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