-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls mit einem Kältemittel, das beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Transportbehälters mit einem in einem Lagerbereich des Transportbehälters gelagerten Produkt in thermischem Kontakt gebracht und das Produkt dabei unter Ausnutzung der Verdampfungs-, Schmelz oder Sublimationsenthalpie des Kältemittels gekühlt wird, wobei vor Beginn des Einsatzes aus der Kühldauer, der Differenz zwischen Lagertemperatur und Umgebungstemperatur während des Einsatzes sowie aus Wärmedurchgangskoeffizienten und Geometrie des Transportbehälters ein Bruttomassenwert für die Menge des dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittels berechnet wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Zum Transport gekühlter Produkte, insbesondere zum Transport von Lebensmitteln, pharmazeutischen Produkten, biologischen oder medizinischen Präparaten im gekühlten Zustand, kommen thermisch isolierte Transportbehälter zum Einsatz, die mit einem Lagerbereich ausgerüstet sind, in denen das zu transportierende gekühlte Produkt während des Transports gelagert wird. Um das Transportgut während der gesamten Transportdauer auf einen Temperaturwert unterhalb eines vorgegebenen Werts gekühlt zu halten, steht der Lagerbereich mit einem im Transportbehälter integrierten Kühlmodul in thermischem Kontakt, in dem ein kryogenes Kältemittel, beispielsweise Kohlendioxidschnee oder flüssiger Stickstoff, gelagert wird. Die durch die Wände in das Innere des Transportbehälters eindringende Wärme aus der Umgebung wird vom kryogenen Kältemittel aufgenommen, das dabei verdampft bzw. sublimiert, währenddessen die Temperatur im Innern des Transportbehälters im Wesentlichen gleich bleibt. Auf diese Weise kann ein zu kühlendes Produkt während des Transports über einen Zeitraum von mehreren Stunden oder gar Tagen auf einen Temperaturwert unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten werden, ohne dass es dazu der laufenden Kühlung durch ein elektrisch betriebenes Kühlaggregat bedarf.
-
Ein Beispiel für ein derartiges System ist in der Druckschrift
EP 1 088 191 A1 beschrieben. Bei diesem System umfasst der Transportbehälter ein mit diesem lösbar verbundenes Kühlmodul, in dem Kohlendioxid als Kältemittel bevorratet wird. Zum Befüllen wird das Kühlmodul an ein Befüll- und Entnahmemodul gekoppelt, das dem Kühlmodul Kohlendioxid in flüssigem Zustand unter Druck zuführt. Im Innern des Kühlmoduls entspannt sich das flüssige Kohlendioxid und geht in ein Gemisch aus Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas über. Während der Kohlendioxidschnee durch geeignete Rückhaltemittel im Kühlmodul zurückgehalten wird, wird das entstehende Kohlendioxidgas aus dem Kühlmodul abgesaugt und abgeführt. Nach der Befüllung wird das Kühlmodul vom Befüll- und Entnahmemodul getrennt, und der im Kühlmodul befindliche Kohlendioxidschnee sorgt für die Kühlung des im Lagerbereich des Transportbehälters befindlichen Produkts.
-
Solange sich noch festes Kohlendioxid im Kühlmodul befindet, wird die eindringende Wärme weitgehend für die Sublimation des Kohlendioxids aufgewendet, wobei die Temperatur im Innern des Transportbehälters im Wesentlichen gleich bleibt. Erst nach dem vollständigen Sublimieren des Kohlendioxids erwärmt sich allmählich die Atmosphäre im Innern des Transportbehälters. Die Zeitdauer, über die das Produkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann, wird somit maßgeblich von der Sublimationsenthalpie der im Kühlmodul befindlichen Kohlendioxidmenge, dem Wärmedurchgangskoeffizienten des Transportbehälters sowie dessen Geometrie, und der Differenz zwischen Lager- und Umgebungstemperatur bestimmt. Um den Verbrauch an Kohlendioxid zu begrenzen, wird das Befüll- und Entnahmemodul mit einer Steuereinheit ausgerüstet, in der vor dem Transport die zur Kühlung über die gewünschte Zeitdauer erforderliche Menge an Kohlendioxidschnee aus den genannten Parametern berechnet wird. Die auf diese Weise aus Parametern des Transportbehälters und der Umgebung sowie aus der Kühldauer berechnete Masse an Kältemittel wird im Rahmen der Erfindung im Folgenden „Bruttomassenwert” genannt. Die Parameter sind hierzu elektronisch in der Steuereinheit eingespeichert, bzw. werden vor dem Einsatz manuell in diese eingegeben. Die Steuereinheit steht mit einer im Befüll- und Entnahmemodul vorgesehenen Dosiereinheit in Verbindung, mittels der genau die berechnete Menge an Kohlendioxid dem Kühlmodul zugeführt wird.
-
Das hier skizzierte Vorgehen gelingt im übrigen in ähnlicher Weise auch bei der Verwendung eines flüssigen Kältemittels, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, bei dem allerdings an die Stelle der Sublimationsenthalpie die Verdampfungsenthalpie tritt, oder bei der Verwendung eines festen Kältemittels, das beim Kühlvorgang lediglich schmilzt und nicht sublimiert, wie beispielsweise Wassereis. In diesem Fall wird die Schmelzenthalpie zur Aufnahme der Wärme genutzt.
-
Durch das bekannte Verfahren wird die Menge an Kältemittel, das dem Kühlmodul zugeführt wird, begrenzt und auf diese Weise bereits ein wirtschaftlicher Einsatz des Kältemittels gewährleistet. Es zeigt sich jedoch, dass in vielen Fällen tatsächlich mehr Kältemittel zugeführt wird, als zur Bewältigung der Kühlaufgabe erforderlich ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung zu schaffen, bei dem die Menge des dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittel noch besser an die tatsächlich zur Bewältigung der Kühlaufgabe erforderliche Menge angepasst wird.
-
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass
- – vor Beginn des Einsatzes die Masse des im Lagerbereich gelagerten Produkts bestimmt wird,
- – aus der Masse und dem spezifischen Wasseranteil des gelagerten Produkts ein Wert für die Gesamtmasse an Wasser im Produkt errechnet wird,
- – aus der Gesamtmasse an Wasser im Produkt und einer Toleranztemperaturdifferenz ein Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser im Produkt um die Toleranztemperaturdifferenz bestimmt wird,
- – der Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser mit der Sublimationsenthalpie des Kältemittels zur Berechnung eines Äquivalenzmassenwertes an Kältemittel in Beziehung gebracht wird,
- – der Äquivalenzmassenwert von dem berechneten Bruttomassenwert für das dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittel in Abzug gebracht und auf diese Weise ein Nettomassenwert an Kältemittel ermittelt wird, und
- – dem Kühlmodul eine dem Nettomassenwert entsprechende Masse an Kältemittel zugeführt wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Überlegung aus, dass zur Bestimmung der tatsächlich erforderlichen Menge an Kältemittel die Enthalpie des Produkts einbezogen werden muss. Dabei wird davon ausgegangen, dass dabei dem Wasseranteil des Produkts eine maßgebliche Bedeutung zukommt. Da die Enthalpie von Wasser bzw. Wassereis bekannt ist, kann so recht genau ein Wert für die im Rahmen der Erfindung mindestens nutzbare Enthalpie des Produkts gewonnen werden.
-
Weiterhin geht die Erfindung davon aus, dass es zur Bewältigung einer Kühlaufgabe in der Regel nicht erforderlich ist, das Produkt auf dem Temperaturwert zu halten, den es bei der Entnahme des Produkts aus einem Großlager, beispielsweise einem Kühlhaus, hatte, sondern dass im Verlauf des Einsatzes des Transportbehälters, insbesondere während eines Transports, eine gewisse Erwärmung um beispielsweise 5 K für die Qualität des Produkts in den meisten Fällen unerheblich ist. Diese Temperaturdifferenz, im Folgenden „Toleranztemperaturdifferenz” genannt, entspricht der Differenz zwischen der Anfangstemperatur (Kühlhaustemperatur) und der Endtemperatur Solltemperatur bei der Entnahme des Produkts aus dem Lagerbereich des Transportbehälters am Ende des Transports). Gemäß der erfindungsgemäßen Lehre wird also die Wärmemenge bestimmt, die zur Erwärmung des Wasseranteils im Produkt um die Toleranztemperaturdifferenz erforderlich ist. Diese Wärmemenge wird während des Transports vom Produkt aufgenommen und braucht nicht mehr dem Kältemittel zugeführt zu werden. In Bezug auf die Kühlaufgabe entspricht sie also einer bestimmten, eingesparten Masse an Kältemittel, hier „Äquivalenzmassenwert” genannt. Demzufolge kann die Menge an Kältemittel im Kühlmodul entsprechend um den Äquivalentmassenwert vermindert werden, ohne dass es zu Einbußen an der Qualität des transportierten Produkts kommt. Die gegenüber dem Bruttomassenwert um den Äquivalenzmassenwert verminderte Masse an Kühlmittel wird hier „Nettomassenwert” genannt.
-
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, zusätzlich zu den Daten, die bei den derzeit eingesetzten Systemen der oben beschriebenen Art zur Bestimmung des Bruttomassenwerts benötigt werden, produktbezogene Parameter einzubeziehen. Diese produktbezogenen Parameter, wie die Masse und die Art des Produkts, die gewünschte Endtemperatur sowie die gewünschte Einsatzdauer (z. B. Transportdauer) in einer Steuereinheit des Transportbehälters oder des Befüll- und Entnahmemoduls einzugeben. Der Wasseranteil des Produkts ergibt sich beispielsweise aus einer in der Steuereinheit eingespeicherten Tabelle für verschiedene Produkte. Beispielsweise beträgt der Wasseranteil von Spinat typischerweise 93 Massen-%, von Brokkoli oder Erdbeeren ca. 90 Massen-%, für mageres Rindfleisch ca. 49 Massen-%, für mageres Schweinefleisch ca. 37 Massen-% und für Butter ca. 16 Massen-%. Die Steuereinheit errechnet aus diesen Daten einen Wert für die Wärmemenge (Enthalpie), die bei der Erwärmung um die Toleranztemperaturdifferenz vom Produkt aufgenommen wird und nicht vom Kältemittel aufgenommen zu werden braucht. Dieser Enthalpiewert entspricht also in Bezug auf den Kühlvorgang einer Äquivalenzmasse an Kältemittel und reduziert somit die Masse an Kältemittel, die dem Kühlmodul zur Bewältigung der Kühlaufgabe zugeführt werden muss (Nettomassewert) gegenüber dem Wert, der nach den oben skizzierten üblichen Verfahren ohne Berücksichtigung der Enthalpie des Produkts errechnet wird (Bruttomassenwert). Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu teilweise erheblichen Einsparungen an Kältemittel.
-
Bevorzugt handelt es sich beim Kältemittel um ein kryogenes Kältemittel, also um ein verflüssigtes oder verfestigtes Gas, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kommt als Kältemittel Kohlendioxidschnee zum Einsatz. Das Kohlendioxid wird dabei bevorzugt dem Kühlmodul im verflüssigten Zustand unter Druck bei Umgebungstemperatur zugeführt und beim Eintritt in das Kühlmodul unter Erzeugung von Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas entspannt. Der Kohlendoxidschnee wird im Kühlmodul aufgefangen und als Kältemittel genutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für andere Kältemittel, wie beispielsweise Wassereis, geeignet.
-
Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße Verfahren beim Transport von Tiefkühlprodukten zum Einsatz. Derartige Produkte, insbesondere Lebensmittel, werden in Kühlhäusern üblicherweise bei 243 K (–25°C) gelagert; eine Endtemperatur von 248 K (–20°C) ist jedoch in den meisten Fällen unkritisch. Das in den Tiefkühlprodukten enthaltene gefrorene Wasser trägt mit einer Enthalpie von 2 kJ/(kg·K) zur gesamten nutzbaren Enthalpie bei.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der ein Transportbehälter mit einem Lagerbereich für ein zu kühlendes Produkt und einem mit dem Lagerbereich thermisch verbundenen Kühlmodul ausgerüstet ist. Die Vorrichtung weist des weiteren ein mit dem Kühlmodul verbindbares Befüllmodul zum Zuführen von Kältemittel, eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Parameter wie beispielsweise Transportzeit, Masse und Art des Produkts, Toleranztemperaturdifferenz, einer in einer Steuereinheit des Befüllmoduls integrierten Datenverarbeitungseinheit zur Berechnung der Enthalpie des Wasseranteils im Produkt zwecks Ermittlung eines Nettomassenwertes an zuzuführenden Kältemittel aus eingegebenen und/oder in der Steuereinheit gespeicherten Parametern, und eine dem Befüllmodul zugeordneten, mit der Steuereinheit datenverbundenen Dosiereinheit zum Zuführen einer dem Nettomassenwert entsprechenden Menge an Kältemittel an das Kühlmodul auf. Die Datenverarbeitungseinheit, bei der es sich übrigens auch um einen Teil einer in der Steuereinheit enthaltenen Datenverarbeitungseinheit handeln kann, ermöglicht die Berücksichtigung der Enthalpie des im Produkt enthaltenen Wassers bei der Berechnung der dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittelmenge. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die so Menge an der zur Bewältigung der Kühlaufgabe benötigten Menge an Kältemittel weitaus besser ermittelt und dem Transportbehälter zugeführt werden, als dies nach dem Stande der Technik möglich war.
-
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine mit der Steuereinheit datenverbundene Waage zum Ermitteln der Masse des zu transportierenden Produkts. Die Messdaten der Waage werden dabei bevorzugt automatisch an die Steuereinheit übermittelt und direkt zur Berechnung der zuzuführenden Kältemittelmenge genutzt.
-
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt In schematischer Schnittansicht ein erfindungsgemäßes System zum Befüllen eines Transportbehälters zum Transportieren gekühlter Produkte mit einem kryogenen Kältemittel.
-
Der in 1 gezeigte Transportbehälter 1 umfasst einen Lagerbereich 2 zum Lagern eines gekühlten Produkts 3 während eines Einsatzes, beispielsweise eines Transports von einem zentralen Kühlhaus an einen Abnehmer. Der Lagerbereich 2 steht über einen thermisch leitenden Boden 4 oder über eine Strömungsverbindung mit einem Kühlmodul 5, in dem ein Kältemittel, im Ausführungsbeispiel Kohlendioxidschnee 6, bevorratet wird. Die Außenwände 7 des Transportbehälters 1 sind thermisch isoliert, um einen Wärmeeintrag aus der Umgebung so weit wie möglich zu unterbinden. Vor dem Transport des Produkts im Transportbehälter 1 wird das Kühlmodul 5 in der unten näher beschriebenen Weise mit Kohlendioxidschnee 6 befüllt. Die Kühlung des Produkts während des Transports erfolgt ausschließlich aufgrund des thermischen Kontakts zwischen dem Lagerbereich 2 und dem Kühlmodul 5. In den Lagerbereich 2 eindringende Wärme gelangt über den thermisch leitenden Boden 4 in das Kühlmodul 5 und wird dort vom Kohlendioxidschnee 6 aufgenommen, wobei der Kohlendioxidschnee 6 allmählich sublimiert. Aufgrund der Sublimationsenthalpie des Kohlendioxidschnees 6 bleibt die Temperatur im Innern des Kühlmoduls 5, und damit auch innerhalb des Lagerbereiches 2, so lange weitgehend konstant, bis der Kohlendioxidschnee 6 vollständig sublimiert ist.
-
Die Befüllung des Kühlmoduls 5 mit Kohlendioxidschnee 6 erfolgt mittels eines Befüll- und Entnahmemoduls 10. Das Befüll- und Entnahmemodul 10 verfügt über eine Zuleitung 11 für flüssiges Kohlendioxid sowie über eine Ableitung 12 für gasförmiges Kohlendioxid, die beanstandet voneinander angeordnet sind. Zum Befüllen des Kühlmoduls 5 werden die Zuleitung 11 und die Ableitung 12 an entsprechenden, beabstandet voneinander angeordneten Anschlüssen 13, 14 des Kühlmoduls 5 verbunden. Beim Zuführen des unter Druck stehenden flüssigen Kohlendioxids in das Kühlmodul 5 entspannt sich das Kohlendioxid und geht teilweise in Kohlendioxidschnee und teilweise in Kohlendoxidgas über. Der Kohlendioxidschnee 6 wird mittels eines Siebes 15 im Kühlmodul zurückgehalten, während gleichzeitig das entstehende Kohlendioxidgas über den Anschluss 13 und die Ableitung 12 abgeführt bzw. abgesaugt wird.
-
Die Menge des für eine Kühlaufgabe im Kühlmodul 5 bereit zu haltenden Kohlendioxidschnees hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Neben der Dauer des Transports sind dies insbesondere die Temperatur des Produkts beim Einbringen in den Lagerbereich 2, die Umgebungstemperatur und der Wärmeeintrag durch die Außenwände 7 des Transportbehälters 1. Dem Befüll- und Entnahmemodul 10 ist eine Steuereinheit 18 zugeordnet, der aus den erforderlichen Parametern die Menge an zuzuführendem Kohlendioxid errechnet. Parameter, die nicht automatisch vom System erfasst werden können, wie beispielsweise die Transportdauer, werden über eine Eingabeeinheit 19 eingegeben, die der Steuereinheit 18 zugeordnet ist.
-
Die Steuereinheit steht mit einer Dosiereinrichtung 20 in Datenverbindung, die in der Zuleitung 11 für flüssiges Kohlendioxid angeordnet ist und die die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid durch die Zuleitung 11 sperren oder freigeben kann. Im normalen Betriebszustand ist die Dosiereinheit 20 so eingestellt, dass nur die in der Steuereinheit 18 errechnete Menge an flüssigem Kohlendioxid an das Kühlmodul 5 abgegeben wird.
-
Um die dem Kühlmodul 5 zuzuführende Menge an Kohlendioxidschnee 6 im Hinblick auf die Kühlaufgabe noch genauer bestimmen zu können, berücksichtigt ein in der Steuereinheit 18 eingegebenes Programm zusätzlich die Enthalpie des im Produkt 3 enthaltenen Wassers bzw. Wassereises. Dazu wird in der Eingabeeinheit 19 die Art des Produkts 3 eingegeben. Beispielsweise wird das Produkt 3 dabei aus einer vorgegebenen und auf einer Anzeigeeinheit der Eingabeeinheit angezeigten Liste ausgewählt. In der der Steuereinheit 18 ist bereits eine Tabelle einprogrammiert, aus der sich der spezifische Wasseranteil für ein bestimmtes Produkt ergibt. Ebenfalls eingegeben oder bereits einprogrammiert ist/wird ein Wert für eine Temperaturdifferenz um die das Produkt während des Transports maximal aufgewärmt werden darf (Toleranztemperaturdifferenz). Mittels einer Waage 21, die gleichfalls mit der Steuereinheit 18 in Datenverbindung steht, wird zugleich die Masse des Produkts 3 erfasst. Aus der Masse des Produkts 3, der Toleranztemperaturdifferenz und dem Wert für den Wasseranteil im Produkt 3 wird ein Wert für die insgesamt nutzbare Enthalpie des Wasseranteils errechnet. Eine dieser „nutzbaren Enthalpie” entsprechende Wärmeenergie muss dem Wasseranteil zugeführt werden, um diesen um die Toleranztemperaturdifferenz aufzuwärmen. Diese Wärmenergie muss somit nicht mehr vom Kältemittel aufgenommen werden, sodass die Gesamtmenge des Kältemittels, die dem Kühlmodul 5 zugeführt wird, entsprechend vermindert werden kann. Die Menge an auf diese Weise einzusparendem Kohlendioxidschnee 6 wird in der Steuereinheit aus der Sublimationsenthalpie des Kohlendioxids (573 kJ/kg) berechnet und bei der Bestimmung der dem Kühlmodul 5 zuzuführenden Menge an Kohlendioxidschnee 6 berücksichtigt. Dadurch wird über die Zuleitung 11 mittels der Dosiereinheit 20 nur eine entsprechend reduzierte Menge an Kohlendioxid dem Kühlmodul 5 zugeführt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich insbesondere zum Transport von temperaturempfindlichen, gekühlten Produkten aller Art, wie beispielsweise tiefgekühlte Lebensmittel, pharmazeutische Produkte oder biologische Substrate wie beispielsweise Organe oder Gewebeproben.
-
Beispiel:
-
Ein isothermer Behälter wird mit 200 kg Tiefkühlprodukt Rindfleisch mit 60% Mageranteil befüllt. Der durchschnittliche Wassergehalt eines solchen Produkts (Massenanteil) beträgt 50%. Die Produkt-Anfangstemperatur betrage im Kühlhaus minus 25°C, Die Temperatur im Behälter darf bis zum Ende des Transports nicht Ober minus 20°C steigen, d. h. nicht mehr als 5 K über der Temperatur im Kühlhaus.
-
Da die Enthalpie gefrorenen Wassers 2 kJ/(kg·K) beträgt, umfasst die Enthalpie des Wassers im Produkt insgesamt ca. 1000 kJ. Bei einer Sublimationsenthalpie beim Übergang gefrorenen Kohlendioxids in den gasförmigen Zustand von ΔHCO2 = 573 kJ/kg ergibt sich eine Verminderung des dem Transportcontainer zuzuführenden Menge an Kohlendioxidschnee um 1,75 kg gegenüber der Menge, die nach dem Befüllverfahren nach dem Stande der Technik zugeführt worden wäre.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Transportbehälter
- 2
- Lagerbereich
- 3
- Produkt
- 4
- Thermisch leitender Boden
- 5
- Kühlmodul
- 6
- Kohlendioxidschnee
- 7
- Außenwände
- 8
-
- 9
-
- 10
- Befüll- und Entnahmemodul
- 11
- Zuleitung für flüssiges Kohlendioxid
- 12
- Ableitung für gasförmiges Kohlendioxid
- 13
- Anschluss für gasförmiges Kohlendioxid
- 14
- Anschluss für flüssiges Kohlendioxid
- 15
- Sieb
- 16
-
- 17
-
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Eingabeeinheit
- 20
- Dosiereinrichtung
- 21
- Waage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
