DE1601927A1

DE1601927A1 - Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Gefrieren von fluessigkeitstauchbarem Gut

Info

Publication number: DE1601927A1
Application number: DE19681601927
Authority: DE
Inventors: Thomson Stanley S
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-02-06
Filing date: 1968-01-31
Publication date: 1971-03-04
Also published as: GB1211605A; US3440831A

Description

Die'Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Gefrieren von flUssigkeitstauchbarem Gut, z. B. Nahrungsmitteln, Metallteilen, Nieten usw. und im Besonderen auf ein Verfahren zum schnellen Gefrieren eines Körpers oder mehrerer Körper in einem Kältemittelsystem mit flüssigem Stickstoff. Diese Erfindung eignet sich besonders zur Konservierung von Nahrungsmitteln.

Das ideale Gefrierverfahren für Nahrungsmittel darf die Nahrungsmittel in keiner Weise verändern. Darüber hinaus muß beim idealen Gefrierverfahren die Elgenfeuohtlgkeit des Nahrungsmittels so schnell gefrieren, daß sich nur kleine Eiskristalle in der Zellenstruktur des Nahrungsmittels bilden. Beim langsamen Gefrieren bilden sioh große Kristalle, und diese zertrümmern die Zellen und verändern das geforeae Erzeugnis so

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weit, daß es nach dem Auftauen nicht mehr dem frischen Erzeugnis entspricht.

Heute gibt es' fünf allgemeine Gefrierverfahren für Lebensmittel. Es sind dies das Kaltplattenkontaktverfahren, das Luftstromverfahren mit hoher Geschwindigkeit und tiefer Temperatur, -die verschiedenen Soleverfahren mit niedrigen Temperaturen, das Trockeneisverfahren und die Tauch- und Spritzverfahren mit Kältemischungen. Keins dieser Verfahren kommt einem idealen Gefrierverfahren gleich. Das Kaltplattenkontaktverfabren, das Luftstromverfahren mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Temperatur

und die Soleverfahren mit niedrigen Temperaturen haben verhältnismäßig geringe Gefriergeschwind igkeiten,und dadurch wird die Güte der nahrungsmittel nachteilig beeinflußt, und die Verfahen sind aufgrund des langsamen Gefrierens in ihrer Leistung begrenzt. Die Tauch- und Spritzverfahren mit Kältemischungen oder das Trockeneisverfahren haben hohe Gefriergeschwindigkeiten. Allerdings sind diese sogenannten "Tiefkälteverfahren" auf das Gefrieren von Nahrungsmitteln von höchstens 18 mm Dicke beschränkt; denn bei größeren Dicken müssen so große Mengen an Tiefkältemischungen und so große Apparate eingesetzt werden, daß die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nicht mehr gegeben ist.

Aus diesem Grund ist es Hauptzweck der Erfindung, ein Schnellgefrierverfahren zum schnellen Gefrieren verhältnismäßig dicker Nahrungsmittel, z. B. Fisch, Fleisch oder Geflügel zu schaffen.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, "bei einem solchen Verfahren in der Flüssigkeit eine genau gesteuerte Temperatur aufrechtzuerhalten, so daß jedes Gefriergut alle seine Wärmeenergien während der Kältebehandlung abgeben muß. Weiterhin bezweckt diese Erfindung einschnelles Gefrieren großer und sperriger Güter bei Geschwindigkeiten, die den Geschwindigkeiten der bereits genannten liefkälteverfahren für das Gefrieren dünner Nahrungsmittel vergleichbar sind, und dabei soll das Gefrieren in einfachen, preisgünstigen und hochautoraatisierten Geräten und mit einem Wirkungsgrad vor sich gehen, der die Kosten für das Kältemittel und Kältemittelverluste auf ein Minimum herabdrückt. Weitere Ziele dieser Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung· hervor

Erfindungsgemäß wird das dadurch erzielt, daß flüssiger Stickstoff bei einem Expansionsdruck, beispielsweise bei atmosphärischem Druck, mit einem aweiten Kältemittel in Berührung gebracht wird, wäLches bei der !Temperatur, bei der das Gut gefroren werden soll, flüssig ist, wodurch die Temperatur des Kältemittels auf mindestens diese Temperatur herabgedrückt wird.

Das Gut wird in das flüssige Kältemittel bei dieser herabgesetzten Temperatur eingetaucht und dadurch schnell bei dieser Temperatur gefroren. Das zweite Kältemittel wirkt als hochwirksames Wärmeübertragungsmittel für das Kühlvermögen des flüssigen Stickstoffes. Wenn der flüssige Stickstoff mit dem zweiten Kältemittel durch Einspritzen bei atmosphärischem Druck direkt in Berührung kommt, ergibt sich eine Bewegung, weLche den sich auf den Oberflächen des Gutes bildenden und isolierenden Kälte-

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mitte!film zerstört. Vorzugsweise wird die Temperatur des zweiten Kältemittels auf eine weit unter dem Gefrierpunkt des Gefriergutes liegende Temperatur gebracht, d. h. auf etwa -73° C bei verderblichen Kahrungsmiteln,und danab wird das Gefriergut in das flüssige Kältemittel getaucht, so daß sowohl die latente als auch die fühlbare Wärme des Gefriergutes bei Berührung mit dem Kältemittel schnell verschwinden.

In manchen Fällen kann es allerdings erforderlich oder mäßig sein, die Wärme im Gefriergut stufenweise abzubauen, um das Gefriergut nicht einem zu plötzlichen Temperaturwechsel auszusetzen, In diesem Falle wird das Gefriergut in einen Behälter mit dem zweiten Kältemittel getaucht und dann schnell in einen zweiten Eehälter mit einem Kältemittel mit niedrigerer Temperatur als das erste Kältemittel überführt. B_eide Behälter können das gleiche Kältemittel oder verschiedene Kältemittel enthalten. Ein Behälter kann auch zur Isolierung des anderen verwendet werden.

Es kann auch zweckmäßig sein, das Gefriergut langer in der ersten Stufe zu halten. In einem solchen Fall und in allen Fällen, bei denen es die Verweilzeit erlaubt, können die Gefriergüter in dem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter zur Erhöhung der Flüssigkeitsbewegung bewegt werden.

Das zweite Kältemittel kann aus einer großen Gruppe organischer und anorganischer Verbindungen ausgewählt werden. Die Hauptbedingung für dieses Kältemittel besteht darin, daß es bei der gewünschten Gefriertemperatur flüssig ist_; d. h. es muß den

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Gefrierpunkt vom Wasser im Fall verderblicher Nahrungsmittel haben. Vorzuziehen ist auch ein Mittel mit einer hohen Wärmekapazität, geringer Viskosität und guter Wärmeleitfähigkeit. Geeignete Kältemittel sind Alkohole, Silikonöle und die flüssigen Freon-Fluorfeohlenwasserstoffe, wie z. B. Freon 12, 13 oder 318.

Das Gefriergut kann verpackt oder unverpackt sein. Bei unverpacktem Gefriergut darf nur ein Kältemittel beim Gefrieren von nahrungsmitteln verwendet werden, dais dem Genuß durch Menschen nicht schadet. Das Kältemittel muß sich auch mit verderblichen oder geschmackfreien Gefriergütern vertragen. Bekanntlich entsprechen die A'thane und gewisse flüssige Freon-Fluorkohlenwasserstoffe diesen Anforderungen.

Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist der Einsatz von Kältedämpfen aus einem Kontakt- und/oder Eintauchbehälter al3 Mittel zum Vorkühlen und/oder NaohkUhlen des Gefriergutes.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, beschrieben.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Schemazeichnung einer Kontakt- und Eintauchanlage unter Verwendung eines zweiten, bei Zimmertemperatur flüssigen Kältemittels,

I¹Ig. 2 eine ähnliche Darstellung einer Anlage unter Verwendung eines zweiten Kältemittels mit einem Siedepunkt, der unter Zimmertemperatur liegt,

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Fig. 3 einen Teilquerschnitt eines Kontakt- und

Eintauchbehälters unter Verwendung von Kälte dämpfen zum Torkühlen und Nachkühlen des Gefriergutes bei einem kontinuierlichen Verfahren,

Pig. 4 einen Teilquerschnitt eines Kontakt- und

Eintauchbehälters zum Gefrieren des Gutes, wobei eines das andere isoliert und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Gerätes zum Überführen des Gefriergutes von einer Gefrierstufe in die andere bei dem in Fig. 4 dargestellten Behälter.

in Fig. 1 dargestellte Behälter 2 ohne Deckel nimmt das zweite Kältemittel 4 der beschriebenen Art auf. Dieser Behälter ist isoliert. Das Kältemittelniveau richtet sich nach den Anforderungen des Gefriervorganges. Das Niveau wird durch den Flüssigkeitsstandregler 6 automatisch geregelt. Dieser Regler mißt den Flüssigkeitsstand im Behälter und veranlaßt evtl. erforderliches Nachfüllen des Kältemittels. Das ITachfüllkältemittel kommt aus einem hier nicht dargestellten lagerbehälter.

Der flüssige Stickstoff als erstes Kältemittel wird über die Zerstäuber 8 und 10 in den Behälter 2 geführt. Der Zerstäuber 8 arbeitet mit verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwindigkeiten und der Zerstäuber 10 mit verhältnismäßig niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Die Zerstäubung mit hoher Geschwindigkeit

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bewirkt eine Bewegung des zweiten Kältemittels 4, so daß sich im Behälter überall eine gleichmäßige !Temperatur einstellt. Die Strömungsgeschwindigkeit richtet sieh nach den KälteanfOpferungen im Behälter. Die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubers 10 bewirkt eine maximale Bewegung des Kältemittels am und durch das Gefriergut. Die Strömungsgeschwindigkeit dieses Zerstäubers richtet sich nach den Eigenschaften des zweiten Kältemittels und der vom Gefriergut aufgenommenen Wurme sowie den Umgebungsbedingungen,

Die Vorrichtung zur Versoiging der Zerstäuber mit flüssigem Stickstoff ist allgemein mit 12 bezeichnet. Sie besteht aus einem Druckbehälter für flüssigen Stickstoff 14 und den beiden Zuführungsleitungen 16 und 18 vom Druckbehälter zu den Zerstäubern« Jede Zuführungsleitung wird durch ein Magnetventil oder elektropneumatisches Ventil 20 oder 21 gesteuert. Diese Ventile werden ihrerseits vom Temperaturregler 22 gesteuert, der die Temperatur des zweiten Kältemittels 4 "bei 23 mißt und die Ventile 20 und 21, je nach der gewünschten Temperatur, öffnet oder schließt. Diese Temperatur ist eine Funktion aus Gefriergut, Wärmeabgabegeschwindigkeit an die Umgebung und der Eigenschaften des zweiten Kältemittels 4.

Nachdem der Behälter 2 mit dem Kältemittel gefüllt worden ist, wird zuerst über den Temperaturregler 22 flüssiger Stickstoff 24 in den Behälter über den Zerstäuber mit hoher Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet, und zwar solange, bis das Kältemittel die gewünschte Temperatur hat. Wenn die eingestellte Temperatur erreicht ist, schließt der Regler 22 das Ventil 20 und öffnet das Ventil 21 für die niedrige Strömungsgeschwindigkeit.Danach

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kann das Gefriergut eingebracht werden, im Beispielsfall sind es verderbliche Nahrungsmittel 26, die in das zweite Kältemittel eingetaucht werden, während die Einspeisung von flüssigem Stickstoff über den Zerstörer 10 mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit weitergeht. Wenn die Temperatur des Kältemittels sehr stark vom eingestellten Wert abweicht, kann das Ventil 20 zur Einrege lung der Temperatur wieder geöffnet werden.

Bei der Ausführung gemäß Pig. 2 ist ein Verflüssiger für das zweite Kältemittel vorgesehen. Dieser Verflüssiger wird bei Kältemitteln mit einem niedrigen Siedepunkt erforderlich» z. B. bei Freon 13. In diesem Fall wird das Hochdruck-Preongas 29 über ein Absperrventil 30 in den Verflüssiger gegeben. Dieses Absperrventil wird vom Niveauregler 6¹ des Behälters 2* gesteuert, Im Verflüssiger strömt das Gas durch die Kühlschlage 32, die in flüssiges Stückstoffkondensat eintaucht, das aus dem Bebälter 14¹ kommt. Der Behälter 14' ist an den Verflüssiger über die Leitung 36 mit Absperrventil 38 angeschlossen. Das Absperrventil 38 wird durch den Niveauregler 42 des Verflüssigers gesteuert. Der Auslaß 40 der Kühlschlange 32 mündet in den Kühlmittelbehälter 2' unterhalb der beiden Zerstäuber 8· und 10' ein.

Über die Kühlschlange 32 wird der Behälter 2¹ mit Freonkondensat 4' gefüllt, und zur gleichen Zeit wird über den Zerstäuber 8¹ mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zur Kühlung des Kondensats, wie in Fig. 1 beschrieben, flüssiger Stickstoff eingeführt. Bei Erreichung des gewünschten Flüssigkeitsstandes im Behälter schließt der Niveauregler 6' das Ventil 30, und

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danach gibt der Temperaturregler 22· den flüssigen St iciest off zum Gefrieren der verderblichen Nahrungsmittel 26' über den Zerstäuber 1O¹ mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in den Behälter ab.

In Fig. 5 ist eine Anlage dargestellt, bei -welcher der Behälter für ein "kontinuierliches Verfahren konstruiert ist, · wobei das Gut vorgekühlt und nachgekühlt wird. D_er Behälter 46 hat Trogform. An den schrägen Seitenwänden und auf dem Trogboden läuft eine !Fördervorrichtung 48. Auf dem Boden läuft diese Fördervorrichtung hoch genug, um unter ihr die Zerstäubervorrichtung 50 anordnen zu können. Beim Ein- und Austritt in den Trog wird die Fördervorrichtung durch Tunnelstücke 52 geführt, die quer zum Trog 46 verlaufen und oben in ihn einmünden. Über dem Trog sind im Tunnel, zwei Lüfter 54 angeordnet. Diese lüfter saugen die Kühlraitteldämpfe von der Flüssigkeit ab und fördern sie in die beiden Tünnelstücke hinein. Beim Durchgang des Fördervorrichtung 48 durch diese Kühldampfe werden die von der Fördervorrichtung bewegten verderblichen Nahrungsmittel 26" wirksam vor- und nachgekühlt.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 4 ist der Behälter 56 zum Gefrieren, von verderblichen Nahrungsmitteln 26" in zwei Stufen ausgelegt. Durch das Ringblech 58 wird der Behälter in eine Innenkammer 60 und eine Außenkammer 62 unterteilt. Jede Kammer besitzt einen Zerstäuber, der in der Zeichnung mit 64 bzw« 65 bezeichnet ist. Durch Auswahl des Kältemittels ■ und seiner liefe sowie der Strömungsgeschwindigkeit des fiissi-.

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Stickstoffes wird das Kältemittel in der Innenkammer auf einer niedrigeren !Temperatur als in der Außenkammer gehalten.

Das verderbliche Gefriergut hängt an einer Drehtauchvorrichtung und wird in die beiden Kammern beim Drehen der Vorrichtung eingetaucht und herausgehoben. Die Vorrichtung besteht aus der Säule 66 mit konzentriffih angeordneten Teilen 68 und 70, die zusammen gehoben und gesenkt als auch mit gleicher oder unterschiedlicher Geschwindigkeit gedreht werden können. " Die Säule 66 ist im Behälterboden abgedichtet gelagert. Sie wird durch eine kombinierte Dreh- und ParaHeIverSchiebungsvorrichtung 72 angetrieben, die unter dem Gefäß liegt. Das innere Teil 68 der Säule 66 hat einen seitwärts gerichteten Arm 73, der aus den beiden Teilen 74 u_nd 76 besteht, die bei 78 schwenkbar verbunden sind. Der Arm 73 ragt durch einen Schlitz 80 in der oberen Wandung des äußeren Teils 70 der Säule 66 hindurch und ist mit der oben am äußeren Teil 70 befestigten Planschplatte 82 über den lenker 84 verbunden, der zwischen der Platte 82 und dem Teil 74 des Armes 73 liegt.

Das Gefriergut hängt am Arm in einer Schlinge 86, die leicht aufschiebbar und abnehmbar ist. Beide Säulenteile werden zusammen gedreht und das Gefriergut dadurch in der Kammer 62 mit der höheren Betriebstemperatur langsam im Kreis herum bewegt. Danach wird zu einem vorher bestimmten Zeitpunkt die Winkelgeschwindigkeit des einen Teiles verändert und die Säule 66 gehoben, um die Sohlinge über der Innenkammer 60 mit der ' niedrigeren Temperatur in. Stellung zu bringen. Die Säule 66

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•wird danach schnell gesenkt, und das Gefriergut wird in die Innenkammer, der letzten Gefrierstufe, eingetaucht. Sofort nach Beendigung des Gefriervorganges wird die Fäule wieder gehoben, und mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Greifvorrichtung und/ oder des Armes 73 v/erden die verderblichen Nahrungsmittel aus der Schlinge genommen.

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Claims

Pate η ta nsprücbe

1. Verfahren zum schnellen Gefrieren von flüssigkeitstauchbarem Gut auf eine bestimmte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man flüssigen Stickstoff bei Expansionsdruck mit einem bei der gewünschten Temperatur flüssigen zweiten Kältemittel in Berührung bringt, utr die Temperatur des zweiten Kältemittels mindestens auf diese Temperatur zu bringen und Eintauchen des zu gefrierenden Gutes in das flüssige zweite Kältemittel, wenn es sich auf seiner herabgesetzten Temperatur befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff durch direktes Einspritzen bei atmosphärischem Druck in das zweite Kältemittel mit diesem in Berührung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kältemittel durch Einspritzen von flüssigem Stickstoff bei atmosphärischem Druck auf der verringerten Temperatur gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff mit verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit in das zweite flüssige Kältemittel bei atmosphärischem Druck eingespritzt wird, um die

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Iemperatur des Kältemittels auf eine Unterkühlungstemp3:atur zu bringen, -worauf der flüssige Stickstoff in das zweite Kältemittel mit verhältnismäßig geringer Strömungsgeschwindigkeit eingespritzt wird, um das Kältemittel bei eingetauchtem Gefriergut auf der U_nterkühlungstemperatur zu halten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das G-efriergut in Dämpfen aus dem flüssigen Kältemittel- 4 vorgekühlt und/oder nachgekühlt.wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kältemittel in zwei Volumen aufgeteilt wird, die sich auf verschiedenen Betriebstemperaturen befinden und das Gefriergut zunächst in das eine und dann in das andere Volumen eingetaucht wird,

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefriergut während der Verweilzeit im flüssigen Kältemittel bewegt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige .Kältemittel (4) in einem Behälter (2) enthalten ist und der flüssige Stickstoff über Zerstäuberleitungen (8, 10), die in den Behälter bineinführen, zugeführt ist, wobei lemperaturreglereinriohtungen (22) die Zuführung des Stickstoffes über Ventile (20, 21) steuern,

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (2) trogförtnige Gestalt hat und seitliche tunnelförmige Ansätze (52), durch die eine Fördervorrichtung (48) hindurch in das Eält emitteltiad hineinläuft und durch einen entsprechenden tunnelförmigen Ansatz wieder heraus.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter kreisförmigen Querschnitt besitzt und durch eine kreisringförmige Wand (58) in zwei Teile unterteilt ist, wobei in der Mitte des Behälters eine Säule (66) steht, an deren Kopf ein versteLlbares Parallelogramm (74, 76» 84) angeordnet ist, das zur Bewegung des Gefriergutes in den ringförmigen Kältemittelräumen des Behälters (56) dient.

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