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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zum Kühlen von Teigprodukten.
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Derartige Kälteanlagen sind durch offenkundige Vorbenutzung bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kälteanlage der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass deren Energiebilanz verbessert ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Kälteanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Kälteanlage mit einer zweistufigen Kältemaschine die Möglichkeit bietet, einerseits das Vorkälte-Wärmeträgermedium und andererseits das Hauptkälte-Wärmeträgermedium in für das jeweilige Wärmeträgermedium optimierten Temperaturbereichen zu betreiben. Dies verbessert die Energieeffizienz der Kälteanlage. Zusätzlich wird als drittes Wärmeträgermedium ein Nutz-Kühlmedium eingesetzt, wobei hier vorteilhaft ein Nutz-Kühlmedium mit hoher Wärmekapazität genutzt wird. Beim Vorkälte-Wärmeträgermedium, beim Hauptkälte-Wärmeträgermedium und beim Nutz-Kühlmedium handelt es sich um drei unterschiedliche Medien. NH3 als Vorkälte-Wärmeträgermedium und CO2 als Hauptkälte-Wärmeträgermedium haben sich als besonders vorteilhafte Kombination von Wärmeträgermedien herausgestellt. Im Vergleich zu einer alleine CO2 als Wärmeträgermedium nutzenden Kälteanlage resultiert eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz. Die Kälteanlage kann als Kühlkaskade mit den Kältestufen Vorkälte-Wärmeträgermedium/Hauptkälte-Wärmeträgermedium/Nutz-Kühlmedium ausgelegt sein. Das Nutz-Kühlmedium kann zum Kühlen eines Lagerfrosters, eines Gärvollautomaten, eines Halbautomaten, eines Gärraums, einer Klimaanlage, beispielsweise für Büroräume, sowie zum Herstellen von Eiswasser genutzt werden.
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Eine Ausführung nach Anspruch 2 führt insbesondere zur Möglichkeit, mitgeführtes Öl vom Vorkälte-Wärmeträgermedium NH3 abzuscheiden. Dies macht die Wärmeträgermedien-Kombination NH3/CO2 für die Praxis der Kühlung von Teigprodukten mit besonderem Vorteil handhabbar.
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Ein gemeinsames Maschinengehäuse nach Anspruch 3 führt zu einer kompakten Kälteanlage, die in bereits bestehenden Räumlichkeiten nachgerüstet werden kann. Die Kälteanlage kann so aufgebaut sein, dass sämtliche Komponenten, die das Vorkälte-Wärmeträgermedium führen, innerhalb des Maschinengehäuses angeordnet sind. Dies kann die Sicherheit der Kälteanlage erhöhen.
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Ein Nutz-Kältemedium nach Anspruch 4 hat eine vorteilhaft hohe Wärmekapazität. Ein Beispiel für ein solches Nutz-Kältemedium ist Temper® (vgl. www.temper.se).
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Mindestens zwei Vorkälte-Wärmeträgermedien-Kreisläufe nach Anspruch 5 ermöglichen einen modularen Aufbau der Kälteanlage. Die verschiedenen Kreisläufe können mit unterschiedlichen Kreislauftemperaturen betrieben werden. Für jeden der Vorkälte-Wärmeträgermedien-Kreisläufe kann ein eigener U-Rohr-Wärmetauscher vorgesehen sein. Die verschiedenen U-Rohr-Wärmetauscher können in einer U-Rohr-Wärmetauschereinheit zusammengefasst sein.
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Mehrere Hauptkälte-Wärmeträgermedien-Kreisläufe nach Anspruch 6 können ebenfalls mit unterschiedlichen Kreislauftemperaturen betrieben werden, sodass eine Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck vereinfacht ist. Auf diese Weise können verschiedene Temperaturen, beispielsweise zum Schockfrosten, zum gefrosteten Lager oder zum normalen Kühlen, bereitgestellt werden.
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Ein paralleles Nutzen auch des Hauptkälte-Wärmeträgermediums zum Kühlen nach Anspruch 7 vergrößert die Flexibilität beim Einsatz der Kälteanlage. Verluste durch einen zwischengeschalteten Nutz-Wärmetauscher entfallen bei der direkten Nutzung des Hauptkälte-Wärmeträgermediums.
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Ein Nutz-Wärmetauscher nach Anspruch 8 kann für Kühlaufgaben genutzt werden, bei denen die Kühlleistung der Vor-Kältemaschine ausreicht.
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Ein Nutz-Wärmetauscher nach Anspruch 9 kann zum Heizen genutzt werden, beispielsweise zur Gebäudeheizung. Auf diese Weise kann die Abwärme, die von der Kälteanlage erzeugt wird, effektiv genutzt werden. Die Abwärme kann auch zum Anwärmen eines Gärraums, zum Heizen eines Gärvollautomaten oder zum Abtauen eines Gefrierverdampfers oder einer Frosteranlage genutzt werden. Als Nutz-Temperiermedium kann Wasser oder Temper® genutzt werden. Als Zwischen-Temperiermedium kann auch Öl zum Einsatz kommen, das durch einen der in der Kälteanlage genutzten Kompressoren erwärmt wurde.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Blockschema eine Kälteanlage zum Kühlen von Teigprodukten.
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Die Blockschemadarstellung der Figur zeigt vereinfacht Leitungsverbindungen als einfache Verbindungen, obwohl in der Regel Ring- bzw. Kreislaufleitungen vorliegen.
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Eine in der Figur insgesamt dargestellte Kälteanlage 1 dient zum Kühlen von Teigprodukten, insbesondere von für das Backen vorbereiteten portionierten Teiglingen. Bei den zu kühlenden Teigprodukten kann es sich um gegarte und ungegarte Teigprodukte und auch um bereits gebackene Produkte handeln. Die Teigprodukte können zu verschiedenen Zwecken gekühlt werden, beispielsweise zum Lager, zum Einfrieren oder zum Gären.
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Die Kälteanlage 1 hat eine Vorkältestufe mit einer Vor-Kältemaschine 2 mit NH3 als Vorkälte-Wärmeträgermedium. Die Vor-Kältemaschine 2 umfasst zwei NH3-Kompressoren 3, 4 und einen Verflüssiger 5 von NH3. Zwischen den NH3-Kompressoren 3, 4 und dem NH3-Verflüssiger 5 ist ein NH3/Wasser-Wärmetauscher 6 angeordnet. Der Wärmetauscher 6 ist ein Nutz-Wärmetauscher zum Erwärmen von Wasser als Nutz-Temperiermedium. In dem Wärmetauscher 6 gibt das aufgeheizte NH3-Gas Wärme an einen Wasserkreislauf ab. Eine Vorlauftemperatur des Wasserkreislaufes beträgt 35°C. Eine Rücklauftemperatur des Wasserkreislaufs nach dem Wärmetauscher 6 beträgt 45°C. Die Wärmetauscher-Temperatur des Wärmetauschers 6 liegt etwa bei 40°C bis 45°C. Über den Wasserkreislauf steht der Wärmetauscher 6 mit einem Warmwasserspeicher 6a in Verbindung, der gebäudeseitig genutzt werden kann. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher 6 tritt das NH3-Gas in den NH3-Verflüssiger 5 ein und wird dort verflüssigt. Ein Rücklauf für das verflüssigte NH3 nach dem Verflüssiger 5 steht wiederum über eine sich teilende Leitung mit den beiden NH3-Kompressoren 3, 4 in Fluidverbindung.
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In den NH3-Kompressoren 3, 4 zirkulierendes Öl wird in einem Ölkreislauf geführt. Das Öl gibt in einem Wärmetauscher 6b Wärme an einen Temper®-Kreislauf ab. Temper®, das in der Kälteanlage 1 als Nutz-Kältemedium genutzt wird, ist ein Beispiel für ein grundsätzlich als Nutz-Kältemedium verwendbares Wärmeträgermedium auf Salz- bzw. Sole-Basis. Der Wärmetauscher 6b ist ein Nutz-Wärmetauscher zum Erwärmen von Temper® als Nutz-Wärmemedium. In den Wärmetauscher 6b tritt Temper® mit einer Vorlauftemperatur von 45°C ein und mit einer Rücklauftemperatur von 55°C aus diesem aus. Dieser Temper®-Kreislauf, der dem Wärmetauscher 6b nachgeordnet ist, hat mehrere über Ventile schaltbare Verzweigungen. Eine dieser Verzweigungen führt zu einer Ventilator-Kühleinheit 6c, die auf einem Gebäudedach angeordnet sein kann. Die Ventilator-Kühleinheit 6c ist insbesondere in Sommermonaten innerhalb des Temper®-Kreislaufes zugeschaltet. Insbesondere in Wintermonaten zuschaltbarer Bestandteil des Temper®-Kreislaufes, der dem Wärmetauscher 6b zugeordnet ist, ist ein weiterer Wärmetauscher 6d, über den Temper® Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt. Der Wasserkreislauf hat eine Vorlauftemperatur im Bereich von 20°C bis 25°C und eine Rücklauftemperatur nach Wärmeaufnahme im Wärmetauscher 6d von 35°C. Der Wasserkreislauf, der dem Wärmetauscher 6d zugeordnet ist, steht mit einer gebäudeseitigen Fußbodenheizung 6e in Fluidverbindung. Zuschaltbar ist weiterhin ein Teil-Wasserkreislauf, über den der dem Wärmetauscher 6d zugeordnete Wasserkreislauf mit einem weiteren Wärmetauscher 6f verbunden ist. Letzterer hat eine Wasser-Vorlauftemperatur von mindestens 15°C und maximal 22°C und eine Wasser-Rücklauftemperatur von mindestens 18°C und maximal 25°C. Über einen Temper®-Kreislauf steht der Wärmetauscher 6f mit einem Temper®-Wärmespeicher 6g mit einem Fassungsvermögen von 1000 l in Fluidverbindung. In diesem wird Temper® auf einer Temperatur von etwa 20°C gehalten. Der Temper®-Wärmespeicher 6g steht gebäudeseitig mit Nutzabnehmern beispielsweise zum Abtauen eines Gefrierverdampfers 6h in Fluidverbindung. Der Wärmetauscher 6d ist ein Nutz-Wärmetauscher zum Erwärmen von Wasser als Nutz-Temperiermedium. Der Wärmetauscher 6f ist ein Nutz-Wärmetauscher zum Erwärmen von Temper® als Nutz-Wärmemedium.
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Die Kälteanlage 1 hat weiterhin eine Hauptkältestufe mit Haupt-Kältemaschine 7 mit CO2 als Hauptkälte-Wärmeträgermedium. Die Haupt-Kältemaschine 7 umfasst drei CO2-Verflüssiger 8a, 8b, 8c und sechs CO2-Kompressoren 9, 10, 11, 12, 13 und 14.
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Die Kälteseiten der NH3-Kompressoren 3, 4 der Vor-Kältemaschine 2 stehen über eine Ölleitungsverbindung mit zwei U-Rohr-(U-Tube)Ölabscheidern 16, 17 in Fluidverbindung. Über eine Leitungsverbindung für flüssiges, also kaltes NH3, stehen die beiden CO2-Verflüssiger 8a, 8b mit dem NH3-Kompressor 3 in Fluidverbindung. Über eine weitere Leitung für flüssiges NH3 steht der weitere CO2-Verflüssiger 8c mit dem NH3-Kompressor 4 in Verbindung. Diese Leitungsverbindungen für flüssiges NH3 können untereinander verbunden sein, so dass beide NH3-Kompressoren 3, 4 mit allen drei CO2-Verflüssigern 8a, 8b und 8c in Fluidverbindung stehen können. Die drei CO2-Verflüssiger 8a, 8b, 8c stellen Übertragungs-Wärmetauscher zwischen den Wärmeträgermedien dar, die Wärme vom Hauptkälte-Wärmeträgermedium CO2 an das Vorkälte-Wärmeträgermedium NH3 abgeben. Die beiden U-Rohr-Ölabscheider 16, 17 sind baulich getrennt, können baulich aber auch zu einer U-Rohr-Ölabscheidereinheit 18 zusammengefasst werden. Eine Betriebstemperatur der U-Rohr-Ölabscheider 16, 17 beträgt –6°C. In den U-Rohr-Ölabscheidern 16, 17 findet ein Abscheiden von Öl als Schmiermittel vom NH3 statt.
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Die CO2-Komprossoren 9, 10 stehen mit dem CO2-Verflüssiger 8a in Fluidverbindung. Dort wird eintretendes CO2-Gas durch Wärmeabgabe an das flüssige NH3 verflüssigt. Entsprechend stehen die beiden CO2-Kompressoren 11 und 12 mit dem CO2-Verflüssiger 8b und die beiden CO2-Kompressoren 13 und 14 mit dem CO2-Verflüssiger 8c in Fluidverbindung.
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Eine Kälteseite der beiden CO2-Kompressoren 9, 10 erreicht eine Temperatur von etwa –43°C. Die Kälteseite dieser beiden CO2-Kompressoren 9, 10 steht über eine CO2-Kreislaufleitung mit einer Schockkabine 19 in direkter thermischer Verbindung. Die Schockkabine 19 wird also direkt mit CO2 als Wärmeträgermedium gekühlt. Die Kälteleistung der CO2-Kompressoren 9, 10, die der Schockkabine 19 zugeführt wird, liegt im Bereich von etwa 20 kW. In der Schockkabine 19 können die Teiglinge schockgefrostet werden. In der Schockkabine 19 findet eine Schockfrostung von gegarten und ungegarten Teiglingen sowie von gebackenen Produkten statt. Die Schockkabine 19 kann beispielsweise drei Stikkenwagen aufnehmen.
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Eine Kälteseite der beiden weiteren CO2-Kompressoren 11, 12 mit einer Temperatur von –33°C steht über eine weitere CO2-Kreislaufleitung in direkter thermischer Verbindung mit einer Lagerzelle 20. Es handelt sich hierbei um einen Lagerraum zum Tiefkühlen bzw. Frosten von Teiglingen mit besonders tiefen Temperaturanforderungen. In der Lagerzelle 20 herrscht eine Betriebstemperatur von –25°C. Mit Lagerzellen 20 stehen auch die Kälteseiten der CO2-Kompressoren 13 und 14 mit einer Temperatur von –30°C in direkter thermischer Verbindung.
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Die Kälteseiten der weiteren CO2-Kompressoren 13, 14 stehen über weitere CO2-Kreisläufe, über einen CO2/Temper®-Wärmetauscher 21 und einen Temper®-Speicher 21a, der ein Fassungsvermögen von 1500 l und eine Betriebstemperatur von –27°C hat, und eine Temper-Kreislaufleitung mit einem Tiefkühl-Lagerraum 22 in thermischer Verbindung. Der CO2/Temper®-Wärmetauscher 21 hat eine Kälteleistung im Bereich von einigen 10 kW, beispielsweise von 30 kW. Der Tiefkühl-Lagerraum 22 kann räumlich vom CO2/Temper®-Wärmetauscher 21 deutlich entfernt angeordnet sein, da mit den Temper®-Leitungswegen größere Wege überbrückt werden können. In den Lagerzellen 20 und im Tiefkühl-Lagerraum 22 kann ein Frosten der Teiglinge stattfinden. Die Lagerzellen 20 haben eine Größe, die eine Unterbringung einer Vielzahl von Teiglingstrageinrichtungen, beispielsweise von Stikkenwagen mit einem üblichen Blechmaß, beispielsweise von 580 mm × 780 mm gestattet.
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Mit den beiden NH3-Kompressen 3, 4 und dem U-Rohr-Ölabscheider 17 steht über eine weitere NH3-Kreislaufleitung ein NH3/Temper®-Wärmetauscher 23 mit einer Betriebstemperatur von –6°C in Verbindung. Dort findet also ein direkter Wärmeübergang vom NH3-Vorkälte-Wärmeträgermedium auf das Nutz-Kühlmedium Temper® statt.
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Der NH3/Temper®-Wärmetauscher 23 steht über eine Temper®-Leitungsverbindung mit einem Kühlraum 24 in thermischer Verbindung.
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Im Kühlraum 24 findet eine Kühllagerung verpackter Ware statt. Der NH3/Temper®-Wärmetauscher 23 hat eine Kälteleistung im Bereich zwischen 10 kW und 20 kW, beispielsweise von 12 kW. Der Kühlraum 24 kann auch zum Kühlen von Sahneprodukten konzipiert sein.
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Über die Temper®-Leitungsverbindung steht der NH3/Temper®-Wärmetauscher 23 zudem mit einem Temper®-Speicher 24a in Fluidverbindung, der eine Betriebstemperatur von –6°C und ein Fassungsvermögen von 3000 l hat.
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Im Temper®-Leitungsweg zwischen dem Wärmetauscher 23 und dem Speicher 24a kann der Kühlraum 24 auch überbrückt werden.
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Der Temper®-Speicher 24a steht mit einem weiteren Kühlraum 24b mit einer Betriebstemperatur im Bereich von –3°C bis –6°C in Verbindung.
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Über eine weitere Temper®-Leitungsverbindung steht der Temper®-Speicher 24a gebäudeseitig mit einem Kaltwasseraggregat 24c mit Frostschutzschaltung 24d in Fluidverbindung. Das Kaltwasseraggregat 24c mit einer Vorlauftemperatur von 6°C und einer Rücklauftemperatur von 12°C kann zur Gebäude- und Raumklimatisierung genutzt werden.
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Der Wärmetauscher 6b steht über eine Temper®-Leitungsverbindung zusätzlich mit einem Temper®/Temper®-Wärmetauscher 25 mit einer Betriebstemperatur im Bereich zwischen 50°C und 55°C in thermischer Verbindung. Der Temper®-Wärmetauscher 25 steht über eine weitere Temper®-Leitungsverbindung mit Wärmeverbrauchern, beispielsweise mit einem Warmwasserspeicher 26 oder einer Heizung, in thermischer Verbindung.
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Die Wärmetauscher 21, 23 sowie der Temper®-Wärmetauscher 25 stellen Nutz-Wärmetauscher zum Temperieren von Temper® als Nutz-Temperiermedium, also als Nutz-Kühlmedium oder als Nutz-Wärmemedium, dar. Der Wärmetauscher 21 nutzt das von der Haupt-Kältemaschine 7 abgekühlte Hauptkälte-Wärmeträgermedium CO2 als Kühlmedium.
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Der Wärmetauscher 23 ist ein Nutz-Wärmetauscher zum Abkühlen von Temper® als Nutz-Temperiermedium. Dabei nutzt der Wärmetauscher 23 das Vorkälte-Wärmeträgermedium NH3 als Kühlmedium.
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Die Wärmetauscher 6, 6b, 6d, 6f, 21, 23, 25, die Kompressoren 3, 4 sowie 9 bis 14 und die Verflüssiger 8a, 8b, 8c sind alle in einem in der Figur gestrichelt angedeuteten, gemeinsamen Maschinengehäuse 27 untergebracht, welches kompakt in einem Gebäuderaum oder auch in einem Container untergebracht werden kann. Auch die Speicher 6g, 21a und 24a können in dem Maschinengehäuse 27 untergebracht sein.
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Die Kälteanlage 1 kann zwei getrennte Vorkälte-Wärmeträgermedium-Kreisläufe aufweisen.
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Zwischen den CO2-Verflüssigern 8a, 8b, 8c und den insgesamt sieben CO2-Kompressoren 9 bis 14 können getrennte Hauptkälte-Wärmeträgermedien-Kreisläufe vorliegen. Zwischen den CO2-Kompressoren 11 bis 14 und den Lagerzellen 20 können getrennte Hauptkälte-Wärmeträgermedien-Kreisläufe vorliegen.
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Neben dem Nutz-Kühlmedium Temper® wird auch das Hauptkälte-Wärmeträgermedium CO2 direkt zum Kühlen der Teigprodukte genutzt.
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Im Vergleich zu einer alleine auf CO2 als Wärmeträgermedium basierenden Kälteanlage ergibt sich bei der Kälteanlage 1 eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz. Die CO2-Emission kann im Vergleich zu einer alleine auf CO2 als Wärmeträgermedium basierenden Kälteanlage um etwa 70% reduziert werden.
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In den Temper®-Leitungen der Kälteanlage 1 liegt ein Betriebsdruck von maximal 4 bar vor.
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Das in den Speichern 21a und 24a vorhandene, mittel bzw. stark gekühlte Temper® kann zur Notkühlung der flüssiges CO2 enthaltenden oder führenden Komponenten genutzt werden. Hierzu sind diese Komponenten, was in der Figur nicht dargestellt ist, mit Temper®-Leitungen umgeben, die im Falle einer Notkühlung mit gekühltem Temper® aus den Speichern 21a bzw. 24a beschickt werden können.
