DE10202265A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines feuchten Kühlguts und Betriebverfahren hierfür - Google Patents

Vorrichtung zum Kühlen eines feuchten Kühlguts und Betriebverfahren hierfür

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines feuchten Kühlguts in einem Behälter (1), der über eine Sekundärvakuumpumpe (2) und einen Kühlkondensator (3), dessen Kühlschlange (18) von einem Kühlfluid durchströmt wird, an eine Vorvakuumpumpe (5.1) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (7.1) zwischen der Saugseite der Sekundärvakuumpumpe (2) und dem das Kühlgut enthaltenden Behälter (1) sowie ein Ventil (12) im Speisekreis für das Kühlfluid zur Kühlschlange (18) des Kondensators (3) vorgesehen sind und daß das Kühlfluid von einem isolierten Kühlfluidbehälter (4.1) kommt und in diesen zurückgeleitet wird, dessen Gasraum über ein weiteres Ventil (8.1) mit der Saugseite der Sekundärvakuumpumpe (2) verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines feuchten Kühlguts in einem Behälter, der über eine Sekundärvakuumpumpe und einen Kühlkondensator, dessen Kühlschlange von einem Kühlfluid durchströmt wird, an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere zum raschen Abkühlen von Lebensmitteln geeignet, um sie beispielsweise nach einem Backvorgang weiterverarbeiten zu können und/oder eine Vermehrung von eventuell vorhandenen pathogenen oder toxinbildenden Mikroorganismen, Salmonellen u. s. w. zu unterbinden, beispielsweise in der Hochseefischerei.
  • Die schnelle Kühlung von Lebensmitteln erfordert viel erfordert viel Energie oder aber eine große Kühlwassermenge und ist daher sehr teuer. Außerdem sind die bisher üblichen Kühlmittel umweltschädlich, toxisch und somit wenn möglich zu vermeiden. Man kann in einem feuchten Kühlgut auch durch Evakuieren einen Kühleffekt erzielen, da dann Wasser verdampft und die Verdampfungsenthalpie zu einer Kühlung des Guts führt. Die technologischen Grenzen dieser Kühlung sind durch die erzielbaren Vakuumdrücke gesetzt. So ergibt sich bei 25 mbar Absolutdruck im Kühlgut aufgrund der bekannten Wasserdampftabellen eine Temperatur von mindestens 21°C.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen es möglich ist, in sehr kurzer Zeit von einigen Minuten mit einem beschränkten technischen Aufwand eine große Menge feuchten Kühlguts wesentlich energiesparender und tiefer abzukühlen.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung sowie durch das in Anspruch 6 definierte Be- Vorrichtung sowie durch das in Anspruch 6 definierte Betriebsverfahren für diese Vorrichtung gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der einzigen Figur schematisch dargestellt ist.
  • Diese Figur zeigt das vakuumtechnische Schaltbild einer Kühlvorrichtung, die ein in einen großen Behälter 1 eingebrachtes Gut, z. B. frisch gebackenes Brot, innerhalb von weniger als 10 Minuten energie- und wassersparend bis auf 2°C abkühlt. Das Prinzip der Vorrichtung läßt sich an einem gegenüber Fig. 1 vereinfachten Schema dieser Vorrichtung erläutern, das einerseits die Serienschaltung des Behälters 1, eines Ventils 7.1, einer Sekundärvakuumpumpe 2 in Form einer Wälzkolbenpumpe, eines Kondensators 3 und einer Vorvakuumpumpe 5.1 sowie andrerseits einen Kühlfluidbehälter 4.1 enthält, der mithilfe einer Förderpumpe 6.1 und über ein Ventil 12 eine Kühlschlange 18 im Kondensator 3 mit Kühlfluid versorgt. Vorzugsweise wird dem Kühlfluid zur Erleichterung der Pumparbeit der Förderpumpe 6.1 eine Suspensionshilfe zugesetzt, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die Polyäthylenoxid, Polysacharide, Gelbildner wie Polyglykole und Supersorber enthält. Der Gasraum oberhalb des Kühlfluids im Behälter 4.1 ist über ein Ventil 8.1 mit der Saugseite der Sekundärvakuumpumpe 2 verbunden. Ein Kondensatablaßventil 11 erlaubt die Entfernung des sich im Kondensator 3 ansammelnden Kondensats in der Pause zwischen zwei Betriebszyklen.
  • Das derart vereinfachte Schema arbeitet folgendermaßen:
    Die für das Entladen des Behälters 1 und das Laden einer neuen Charge heißen Kühlguts in den Behälter 1 und für die Entfernung des Kondensats aus dem Kondensator 3 erforderliche Pause wird zur Erzeugung von Vakuumeis im Kühlfluidbehälter 4.1 genutzt, indem der Gasraum oberhalb des Kühlfluids in diesem Behälter über das dann offene Ventil 8.1 an die Saugseite der Sekundärvakuumpumpe 2 angeschlossen wird. Das Ventil 7.1 ist dann natürlich versperrt. Durch die Evakuierung dieses Gasraums wird Dampf erzeugt, also das Kühlfluid abgekühlt und schließlich entsteht ein Vakuumeisschlamm, auch Binäreis genannt.
  • Nach dem Laden des Kühlguts wird die Eisbildung beendet, indem das Ventil 8.1 geschlossen und das Ventil 7.1 geöffnet wird und der Kühlfluidumlauf durch Einschalten der Förderpumpe 6.1 in Betrieb gesetzt wird. Nun wird der in der Praxis großvolumige Behälter 1 (> 1 m3) evakuiert. Dabei wird ein Wasserdampf/Luftgemisch über das Ventil 7.1 und die dann als Brüdenverdichter wirkende Sekundärvakuumpumpe 2 in den Kondensator 3 gedrückt, dessen Kühlschlange 18 durch das Vakuumeis gekühlt wird, sodaß sich Kondensat im Kondensator 3 niederschlägt, während Luft in der Vorvakuumpumpe 5.1 auf Atmosphärendruck verdichtet und anschließend ausgestoßen wird. Die Größe des Kühlfluidvorrats ist so gewählt, daß bei Erreichen eines Absolutdrucks von 25 mbar im Behälter 1 in diesem und an den Kondensationsflächen des Kondensators 3 eine Temperatur von etwa 21°C erreicht ist, ehe das Vakuumeis ganz geschmolzen ist. Die Schmelzenthalpie aus dem Eisanteil in dem Kühlfluid addiert sich zur sensiblen Wärme der Gesamtmasse des Fluids zu einer erheblich größeren im Kondensator wirksamen Kondensationswärme als ein Kühlfluid ohne Zustandswechsel.
  • Will man noch tiefere Temperaturen im Kühlgut erzielen, dann ist es sinnvoll, das oben erläuterte vereinfachte Schema zu ergänzen und einen weiteren Kühlfluidbehälter 6.2 vorzusehen, der über Ventile 13 und 13.1 wahlweise alleine oder in Serie mit dem Kühlfluidbehälter 4.1 die Kühlschlange 18 speist. Auch der Gasraum des zweiten Kühlfluidbehälters 4.2 kann über ein Ventil 8.2 an die Saugseite der Sekundärvakuumpumpe 2 angeschlossen werden, um die Eiserzeugung gezielt in diesem Behälter zu fördern. Dieser zweite Kühlfluidbehälter kann wesentlich kleiner sein, da er nur während einer kurzen Betriebsphase zum Einsatz kommt, in der das in den Behälter 1 eingebrachte Kühlgut noch sehr feucht und warm ist.
  • Während das einleitend erläuterte vereinfachte Schema nur eine Lade- und eine Kühlphase pro Zyklus erlaubt, kann die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung für mehrere Phasen des Kühlzyklus sehr unterschiedliche Betriebsweisen vorsehen, wobei wieder die Pause zwischen zwei Zyklen genutzt wird, um die beiden Kühlfluidbehälter 4.1 und 4.2 über die Sekundärvakuumpumpe 2 und die Vorvakuumpumpe 5.1 zu kühlen. Gemäß Fig. 1 ist der Vorvakuumpumpe 5.1 eine weitere Vorvakummpumpe 5.2 so parallelgeschaltet, daß diese unmittelbar über ein Ventil 9.2 an die Druckseite der Sekundärvakuumpumpe 2 angeschlossen ist. Dadurch kann die Eiserzeugung fortgesetzt werden, während die Vorvakuumpumpe 5.1 zum Evakuieren des Behälters 1 benötigt wird. Der Kondensator 3 kann während der Pause zwischen zwei Zyklen mithilfe weiterer Ventile 9.1 und 10 isoliert und druckentlastet werden, um über das ein Ventil 11 das angesammelte Kondensat ablassen zu können.
  • Um Dampf, der im Kondensator 3 nicht vollständig kondensiert wurde, vor der Vorvakuumpumpe 5.1 oder 5.2 abzufangen, ist es sinnvoll, einen weiteren kleinen Kondensator 16.1 beziehungsweise 16.2 jeder Vorvakuumpumpe vorzuschalten, der über je ein Ablaßventil 15.1, 15.2 bei Bedarf entleert werden kann.
  • Die Vorrichtung gemäß der einzigen Figur eignet sich für ein Verfahren, bei dem ein Kühlgut z. B. innerhalb von 5 Minuten von 100°C auf +1,5°C abgekühlt werden kann. In diesem Fall ergeben sich folgende Phasen:
    • - In einer ersten Phase, nämlich der Pause zwischen zwei Kühlzyklen, wird das Kühlgut in den Behälter 1 geladen, während zugleich die Sekundärvakuumpumpe den Gasraum des Kühlfluidbehälters 4.1 evakuiert. Dadurch wird in diesem Behälter Vakuumeis erzeugt, das in den zweiten Kühlfluidbehälter 4.2 und wieder zurück in den Behälter 4.1 umgewälzt wird, bis in den beiden Behältern ausreichend Eis gebildet ist. Diese Phase kann beispielsweise 80 Sekunden dauern.
    • - In einer zweiten Phase ist das Ventil 7.2 in der Umgehungsleitung geöffnet, sodaß die Vorvakuumpumpe 5.1 dem Behälter 1 unter Umgehung der Sekundärvakuumpumpe 2 bei Vorvakuumdruck bis hinunter zu beispielsweise 25 mbar Dampf entzieht, der im Kondensator 3 kondensiert. Zugleich wird alleine aus dem zweiten Kühlfluidbehälter 4.2 die Kühlschlange 18 mit Vakuumeisschlamm beaufschlagt. Der erste, größere Kühlfluidbehälter 4.1 wird währenddessen weiter gekühlt, da sein Gasraum über das Ventil 8.1 mit dem Sauganschluß der Sekundärvakuumpumpe 2 und diese über das Ventil 9.2 mit der weiteren Vorvakuumpumpe 5.2 verbunden ist. Diese Phase dauert etwa 110 Sekunden. Das Kühlgut ist nun auf 21°C abgekühlt. Um eine Rückverdampfung des im Kondensator 3 gesammelten Kondensats verhindern, ist es vorteilhaft, einen Kondensatsammelbehälter 17 über ein Ventil 11 an den Kondensator 3 anzuschließen und nach dem Umfüllen wieder abzusperren.
    • - Eine dritte Phase unterscheidet sich von der zweiten lediglich dadurch, daß die Ventile 12 und 13 nun geöffnet sind und das Ventil 13.1 gesperrt ist. Dies bedeutet, daß nach dem einschalten der beiden Förderpumpen 6.1 und 6.2 in beiden Kühlfluidbehältern diese in Serie in den Kühlkreislauf integriert sind, sodaß die Oberfläche der Kühlschlange 18 wesentlich kälter als am Ende der zweiten Phase ist und Dampf bei tieferen Temperaturen zur Kondensation bringt. Dadurch ergibt sich ein Absolutdruck im Behälter 1 von etwa 10 mbar und eine Temperatur von +7°C. Diese Phase dauert etwa 100 Sekunden.
    • - In einer vierten Phase sind nur noch die Ventile 7.1, 9.1, 10, 12 und 13 offen. Die zweite Vorvakuumpumpe 5.2 kann stillgesetzt werden. Erstmals liegt nun der Behälter 1 an der Saugseite der nun als Brüdenverdichter wirksamen Sekundärvakuumpumpe, sodaß ein Absolutdruck von z. B. 6,8 mbar im Behälter 1 erreichbar ist. Das Kühlgut hat dann eine Temperatur von 1,5°C. Eine Eiserzeugung findet nicht mehr statt. Diese Phase dauert ebenfalls etwa 100 Sekunden.
  • Die angegebenen Zahlenwerte stellen nur Beispiele dar und beschränken die Erfindung keineswegs. So kann durch Wahl einer Sekundärvakuumpumpe, die einen größeren Unterdruck erzeugen kann, und durch ein größeres Volumen des Kühlfluidbehälters 4.1 eine Temperatur des Kühlguts im Behälter von -25°C erreicht werden, was besonders auf Fangschiffen zum sofortigen Einfrieren der gefangenen Fische erwünscht ist.
  • Um die Endtemperatur des Kühlprozesses gemäß den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung variieren zu können, wird das Ventil 12 über ein (nicht dargestelltes) Steuerglied abhängig von der Temperatur an der Kühlschlange 18 des Kondensators 3 so gesteuert, daß bei Erreichen der gewünschten Temperatur das Ventil gesperrt wird. Die Temperaturwerte werden von einem an der Kühlschlange 18 befestigten Temperatursensor 20 geliefert.
  • Als Sekundärvakuumpumpe kommt insbesondere eine solche vom Wälzkolbentyp, aber auch eine Turbo- und Drehschieberpumpe in Frage. Die beiden Kühlfluidbehälter 4.1 und 4.2 sind vorzugsweise nach außen gut isoliert, um die erzeugte Kälte nicht an die Umwelt zu verlieren.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Kühlen eines feuchten Kühlguts in einem Behälter (1), der über eine Sekundärvakuumpumpe (2) und einen Kühlkondensator (3), dessen Kühlschlange (18) von einem Kühlfluid durchströmt wird, an eine Vorvakuumpumpe (5.1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (7.1) zwischen der Saugseite der Sekundärvakuumpumpe (2) und dem das Kühlgut enthaltenden Behälter (1) sowie ein Ventil (12) im Speisekreis für das Kühlfluid zur Kühlschlange (18) des Kondensators (3) vorgesehen sind und daß das Kühlfluid von einem isolierten Kühlfluidbehälter (4.1) kommt und in diesen zurückgeleitet wird, dessen Gasraum über ein weiteres Ventil (8.1) mit der Saugseite der Sekundärvakuumpumpe (2) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer mit demselben Kühlfluid versehener Kühlfluidbehälter (4.2) vorgesehen ist, der über Ventile (13, 13.1) wahlweise in Reihe mit dem ersten Kühlfluidbehälter oder an dessen Stelle in den Kühlkreislauf für die Kühlschlange (18) des Kondensators (3) einfügbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorvakuumpumpe (5.2) über ein Ventil (9.2) an die Druckseite der Sekundärvakuumpumpe (2) angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vorvakuumpumpe (5.1, 5.2) ein Kondensator (16.1, 16.2) zur Restkondensatabscheidung vorgeschaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem Ventil (7.2) versehene Umgehungsleitung zwischen dem Behälter (1) und dem Kondensator (3) zur Umgehung der Sekundärvakuumpumpe (2) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensatsammelbehälter (17) über ein Ventil (11) an den Kondensator (3) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) im Speisekreis der Kühlschlange (18) des Kondensators (3) durch einen an der Kühlschlange befestigten Temperatursensor (20) so gesteuert wird, daß das Ventil schließt, wenn eine wählbare Temperatur an der Kühlschlange erreicht ist.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid Binäreis verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vakuumeis eine Suspensionshilfe zugesetzt wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die Polyäthylenoxid, Polysacharide und Gelbildner wie Polyglykole und Supersorber enthält.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlzyklus aus vier Phasen besteht, nämlich
einer ersten Phase, in der das Kühlgut in den Behälter geladen wird, während zugleich die Sekundärvakuumpumpe dem Gasraum mindestens eines der Kühlfluidbehälters Kühlfluiddampf entzieht und so das Kühlgut abkühlt,
einer zweiten Phase, in der das Ventil (7.2) in der Umgehungsleitung geöffnet ist, sodaß die Vorvakuumpumpe (5.1) dem Behälter (1) Kühlfluiddampf entzieht und so das Kühlgut abkühlt, während zugleich die Sekundärvakuumpumpe (2) in Reihe mit der weiteren Vorvakuumpumpe (5.2) den Gasraum mindestens eines der Kühlfluidbehälter (4.1, 4.2) evakuiert und dadurch dort das Kühlfluid abkühlt,
einer dritten Phase, in der die beiden Kühlfluidbehälter (4.1, 4.2) in Serie mit der Kühlschlange (18) des Kondensators (3) verbunden sind, während zugleich der Gasraum mindestens eines der Kühlfluidbehälter (4.1, 4.2) über die Sekundärvakuumpumpe (2) evakuiert wird,
einer vierten Phase, in der das Ventil (7.2) in der Umgehungsleitung gesperrt ist und somit die Sekundärvakuumpumpe (2) zwischen dem Behälter (1) und dem Kondensator (3) wirksam wird.
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