DE19735584A1 - Kühlzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlzelle. Kühlzellen werden zum Kühlen und Gefrieren sowie zur Lagerung und zum Trans­ port von gekühlt und gefrorenen Produkten mit verschiede­ nen Temperaturen für unterschiedliche Güter eingesetzt. So wird beispielsweise Gemüse bei einigen Grad über 0°C transportiert, während Fisch bei einer Temperatur um 0°C und viele tiefgekühlte Sachen bei einer Temperatur, die niedriger als ca. 15°C liegt, transportiert werden.

Mit der zunehmenden Globalisierung der Märkte wird es wichtiger, diese Kühlketten auch in entlegene, insbesonde­ re auch in tropische Gebiete auszudehnen, da von dort eine Anzahl von Früchten und auch Meerestieren importiert wer­ den.

Mit den bisher bekannten, sehr kostenaufwendigen Kühllast­ wagen läßt sich dies nicht verwirklichen, da nicht an al­ len Orten entsprechende Logistik für die teuren und auf­ wendigen Kühlaggregate vorhanden ist oder unterhalten wer­ den kann.

Schon jetzt wird es in industrialisierten Ländern als sehr nachteilig empfunden, daß bei der Vielzahl der Kühltrans­ porte und den oft unvermeidlichen Wartezeiten an Grenzen oder bei Sonntagsfahrverboten die Kühlaggregaten stets mit Dieselmotoren betrieben werden müssen und so ein erhebli­ ches Maß an Primärenergie verbrauchen, ganz abgesehen da­ von, daß diese Kühlaggregate in den Investitionskosten diejenigen der eigentlichen Transportvorrichtung häufig schon übersteigen.

Zudem wird die Abkühlung wie auch die Kühllagerung und der Kühltransport von Produkten traditionell mit einem ver­ gleichsweise unwirtschaftlichen Anblasen mit kalter Luft bewirkt. Diese kalte Luft wird mit dem Prinzip der Ver­ dichterkältemaschinen oder dem Absorptionsprozeß erzeugt. Die Kontaktkühlung an einer kälteren Oberfläche oder durch Eintauchen in ein kälteres Medium wird meist nur beim direkten Gefriervorgang verwandt.

Für den Fall, daß eine möglichst robuste, technisch einfa­ che und billige Kühlzelle zum Transport und zu kühlenden Produkten verwandt werden soll, die bei Nichteinsatz mög­ lichst wenig Kapital bindet und andererseits umweltfreund­ lich ist, gibt es bisher keine befriedigende Lösung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für die verschiedenen Kühltransporte und Kühllagerungen geeig­ nete Kühlzelle zu schaffen, die sich insbesondere für den Aufbau von Kühlketten in entlegenen Gebieten eignet.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Hauptan­ spruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Vorteilhafterweise wird auf ein umwelt-giftiges Kältemit­ tel, wie FCKW, H-FCKW, FKW, Ammoniak oder Kohlenwasser­ stoffe verzichtet. Diese Kältemittel, die bei Beschädigun­ gen der bisher bekannten Transporteinrichtungen austreten konnten, können zum einen in vielen Gegenden der Welt nicht nachgefüllt werden und sind zum anderen kosten­ intensiv, giftig und/oder brennbar und sollten z. T. nicht zuletzt aus Umweltschutzgründen vermieden werden.

Weiter wird erfindungsgemäß vermieden, daß komplexe Ver­ dichter, Wärmetauscher und Regeleinrichtungen von Kältema­ schinen, die einer zuverlässigen Wartung durch technisch geschultes Personal bedürfen, in entlegenen Regionen auf­ grund unzulänglicher Voraussetzungen vorzeitig verschlei­ ßen.

Dennoch kann in vorteilhafterweise durch das Einfüllen von Fluid verschiedener Ursprungstemperatur über lange Zeit ein jeweils gewähltes Temperaturniveau in den Kühlzellen erreicht werden. Hierbei kann die gleiche Kühlzelle für unterschiedliche Transporte benutzt werden. Insbesondere dann, wenn sie aus Kunststoff oder Edelstahl und leicht abwaschbar ist, ergeben sich keine hygienischen Probleme, da anders, als bei herkömmlichen Wärmetauschern, innen weitgehend glatte Flächen vorliegen. Falls zudem ein zwei­ phasiges Fluid (Eiskristallsuspension) verwendet wird, kann für den häufig leer erfolgenden Rücktransport der Kühlzellen an dem Befüllungsort das Gewicht wesentlich vermindert werden.

Wesentliche Grundlage des Funktionierens der Kühlzelle ist die Verwendung eines flüssigen, pump- und lagerfähigen Eisgemisches. Dieses Eisgemisch ist vorzugsweise ein zwei­ phasiges Fluid, welches aus einer flüssigen und einer ge­ frorenen Phase besteht. Die zur Eisgemischerzeugung ver­ wendete Flüssigkeit ist in der Regel eine wäßrige Lösung bzw. Mischung. Art und Menge eines zusätzlich dem Wasser zugesetzten Stoffes können die Temperatur des Eisgemisches bestimmen.

Es ist prinzipiell möglich, ein zweiphasiges Fluid auch oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser (Gefrierpunkt von reinem Wasser: 0°C) zu erzeugen. Die Erfindung beschränkt sich somit nicht nur auf die Temperatur eines Eisgemisches bei unterhalb von 0°C, sondern schließt höhere Temperatu­ ren ausdrücklich mit ein. Ein derartiges Fluid wird nach­ folgend aus Gründen der Einfachheit halber ebenfalls unter dem Begriff "Eisgemisch" mit berücksichtigt.

Gegenstand der Erfindung ist nun die Anwendung des vorge­ nannten Eisgemisches für das Abkühlen, die Kühllagerung und den Kühltransport von Produkten in Kühlzellen.

Die Kühlzelle ist dabei mit einer Wandung versehen, in der eingesetztes Volumen des zweiphasigen, flüssigen Flu­ ids über Befüllanschlüsse an der Wandung und Abgabean­ schluß bei Bedarf befüll- und entleerbar ist.

Vorteilhafterweise wird die Wandung als den gesamten In­ nenraum umschließende Doppelwand ausgeführt, die mit dem Eisgemisch zu füllen ist. Um zu vermeiden, daß ein kälte­ rer Teil sich in einem oberen Bereich und ein wärmerer Teil sich in einem unteren Bereich der Wandung absetzt, können in den Doppelwänden vorgesehen Kanäle mit in Verti­ kalrichtung meanderndem Verlauf vorgesehen werden. Diese Kanäle können beispielsweise durch eingesetzte Rohrleitun­ gen im "Zick-Zack-Muster" realisiert sein. In einer weiter vorgeschlagenen Ausführung wird für den Innenraum für An­ wendungsfälle, bei denen eine Kühlung von der Seite nicht ausreicht, ein weiterer Luftkühler vorgesehen, der aus dem Kältevolumen, das in wenigstens einer Wand vorgesehen ist, gespeist wird.

Anstelle starrer Wände können auch flexible Wandkonstruk­ tionen verwendet werden. Falls beispielsweise in einem Lastwagen bereits eine Wandung an einer Ladefläche vorge­ sehen ist, kann die Kühlzelle aus befüllbaren flexiblen flächigen Wandelementen bestehen, auf die das Produkt auf­ gelegt wird und von denen Abschnitte später an den Seiten­ flächen des Produkts anliegen und auf das Produkt aufge­ legt werden. Diese Einrichtungen können in der Praxis nach Entleerung auf sehr kleines Volumen "zusammengefaltet wer­ den".

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand beigefügter Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Versorgungsschema für beispielhaft zwei Kühlzellen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kühlkanä­ le innerhalb einer Doppelwandung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung für eine Eis­ gemischstation, bei der Eisgemisch in drei verschiedenen Temperaturen erhältlich ist,

Fig. 4 eine Variante einer Kühlzelle mit bei­ spielsweise zwei Ventilatoren,

Fig. 5 eine Variante der Kühlzelle mit einem Luft­ kühler, und

Fig. 6 eine Variante mit einer Kühlzelle, die ein Kühlvolumen in lediglich einer Wandung auf­ weist, und die Kälte mittels weiterer Appa­ raturen im isolierten Innenraum verteilt.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Schema für die Ver­ sorgung von Kühlzellen wird das von einer Maschine 1 er­ zeugte Eisgemisch in einem Speicher 2 gelagert. Eine Pumpe 3 wälzt das Eisgemisch um, wobei Art und Menge der Substanzen die Eistemperatur, die Speichergröße und die Laufzeit der Maschine die im Speicher verfügbare Eiskon­ zentration bestimmen. Das Eisgemisch kann dabei durch die Art und Menge der dem Wasser zugesetzten Substanzen seiner Temperatur (nachstehend als "Eistemperatur" be­ zeichnet) eingestellt werden. Ebenso kann die feste (in der Regel gefrorene) Phase in ihrer Menge eingestellt werden (nachfolgend als Eiskonzentration bezeichnet).

Die Eistemperatur des Eisgemisches in der Doppelwand be­ stimmt die Temperatur in der Kühlzelle, die Eiskonzen­ tration bestimmt den Zeitraum, über den die Temperatur in der Kühlzelle innerhalb festgelegter Grenzen aufrecht gehalten werden kann.

Im Betrieb, losgelöst von der Eismaschine 1 wird das in der Doppelwand enthaltene Eisgemisch durch die Wärmeauf­ nahme zwar langsam abschmelzen, ändert aber seiner Tem­ peratur nach physikalischen Gesetzen kaum oder nur in­ nerhalb zulässiger Toleranzen. Damit kann die Temperatur innerhalb der Kühlzelle über einen bestimmten Zeitraum aufrecht erhalten werden, ohne daß eine Kälteversorgung außerhalb erfolgen muß.

Die Doppelwand der Kühlzelle nimmt dabei ein Eisgemisch auf und die Wandung der Kühlzelle wird somit abgekühlt. Die Wandung zur Nutzungsseite (in der Regel der Innen­ raum der Kühlzelle) wird daher nicht wärmegedämmt, die entgegengesetzten Wandungen (in der Regel die Außenwände der Kühlzelle) werden wärmegedämmt. Das in der Doppel­ wand enthaltene Eisgemisch kann darüber hinaus zur Spei­ cherung einer größeren Menge an abkühlendem Eisgemisch verwendet werden.

Zur Nutzung des Eisgemisches werden über eine Pumpe 4 und geeignete Absperrarmaturen 5 die Kühlzellen 6 und 7 mit dem Eisgemisch versorgt. Bezugszeichen 6 bezeichnet z. B. eine Kühlzelle zum Abkühlen oder zur Kühllagerung von Produkten, mit Bezugszeichen 7 sei z. B. eine Kühl­ zelle auf einem Transportfahrzeug bezeichnet. Das über die Armaturen 5 zugeführte Eisgemisch durchströmt die Doppelwände der Kühlzelle, bis es über die Armaturen 8 austritt und zurück zu Speicher 2 strömt.

Auf diese Weise werden den Hohlräume der Kühlzellen 6 und 7 mit dem Eisgemisch beaufschlagt. Das Eisgemisch kühlt - ggf. erst nach mehreren Umwälzungen mit der Pumpe 4 - die als Wärmetauscher ausgeführte Innenwand auf die erforderliche Temperatur ab. Nach Schließen der Armaturen 5 und 6 verbleibt das Eisgemisch in der Dop­ pelwand und hält die Temperatur in der Kühlzelle auf dem gewünschten Wert. Hierbei kann bei Volumenänderung des Eisgemisches z. B. durch Ausdehnungsgefäße auch zusätz­ lich eine Anpassung an bestimmte Substanzen vorgenommen werden.

Sobald die Temperatur innerhalb der Kühlzellen 6 und 7 aufgrund des Abschmelzens des Eises im Eisgemisch nicht mehr ausreicht, wird die Kühlzelle erneut mit Eisgemisch versorgt. Dabei kann auf einfache Weise auch eine dauer­ hafte Kühlung vorgenommen werden. Das geschmolzene Eis­ gemisch wird dazu in den Speicher 2 entleert, indem über die Pumpe 4 Gemisch aus dem Speicher 2 in die Kühlzelle gepumpt wird und das abgeschmolzene Eisgemisch (aufgrund des unterschiedlichen spezifischen Gewichts) vollständig verdrängt.

Beim Kühltransport kann die Versorgung mit frischem Eis­ gemisch an Orten vorgenommen werden, wo eine Eismaschine 1 bzw. ein Eisspeicher 2 zur Verfügung steht (im nach­ folgenden als "Eistankstelle" bezeichnet). Dazu wäre die Kühlzelle etwa auf einem Fahrzeug zu der Eistankstelle transportieren. Die Rückgewinnung des abgeschmolzenen Eisgemisches durch Entleerung in den Eisspeicher 2 ist aus Kosten und/oder Umweltgesichtspunkten zwar sinnvoll, kann aber auch bei Bedarf unterbleiben, wenn z. B. die Transportkosten wesentlich durch das Gewicht bestimmt werden und über längere Strecken es auch aus Umweltge­ sichtspunkten günstiger ist, die Kühlzelle leer zu transportieren.

Beispielsweise kann dann das Eisgemisch aus Meerwasser erzeugt werden (für die Abkühlung, Kühllagerung und/oder Kühltransport z. B. von Meeresprodukten), welches nicht zwangsläufig in den Speicher 2 zurückgepumpt wer­ den muß, da es in genügender Menge verfügbar ist.

Bei einer Ausführung mit stabilen Wänden können die Wan­ dungen der Kühlzelle mit Stegen auf Abstand gehalten werden. Diese Stege können auch als Kanäle zur Durch­ strömung und Eisgemisch-Speicherung speziell ausgeführt sein. Da das spezifische Gewicht des gefrorenen und der flüssigen Phase des Eisgemisches unterschiedlich ist (in der Regel ist "Eis" leichter als die reine Flüssigkeit) kann es zur Trennung der gefrorenen und flüssigen Phase kommen. In der Regel setzt sich das Eis dabei nach oben ab. Diese Trennung könnte dazu führen, daß die feste Phase vornehmlich im oberen Bereich der Kühlzelle ange­ reichert wird, was eine ungleichmäßige Temperatur zur Folge haben könnte. Zu diesem Zweck werden die Doppel­ wände in einer bevorzugten Ausführungsform mit Einbauten versehen, welche eine "Aufschwimmen" der festen Phase gezielt beeinflussen (s. Fig. 2). Für den Fall, daß die gefrorene Phase schwerer ist als die flüssige Phase, ist die Orientierung der Kanäle aus Fig. 2 umzukehren.

In Fig. 2 wird das Eisgemisch in Kanäle 22 innerhalb der Doppelwand eingespeist. Diese Kanäle 22 werden z. B. so lange durchströmt, bis sich die Kühlzelle auf die erfor­ derliche Temperatur abgekühlt hat. Danach wird die Pumpe 4 abgestellt, die Armaturen 5 und 8 werden geschlossen und die Strömung des Eisgemisches kommt zum Stillstand. Innerhalb der Strömungskanäle setzt sich die leichtere, gefrorene Phase vornehmlich an der Oberseite der Kanäle Bereichen 24 ab, die schwerere flüssige Phase befin­ det sich dann hauptsächlich in Bereichen 26. Die gefro­ rene Phase ist somit in den Bereichen 24 "gefangen" und wird sich aufgrund der Auftriebskräfte nicht längs der Kanäle weiterbewegen und somit an anderen Stellen bevor­ zugt anreichern. Die Doppelwand ist somit gleichmäßig mit gefrorener und flüssige Phase gefüllt und stellt ei­ ne ausreichend homogene Temperaturverteilung ein.

Da die Abkühlung, die Kühllagerung und der Kühltransport produkt- und verwendungsbedingt bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen können muß, ist es zweckmäßig, un­ terschiedliche Temperaturen an den Eistankstellen vor zu­ halten. Stationäre Einrichtungen können zwar vorteilhaf­ terweise individuelle Temperaturen vorhalten, beim Kühl­ transport, bei Eistankstellen sind vorzugsweise jedoch nur wenige einheitlich standardisierte Eisgemischtempe­ raturen sowie deren Konzentration vorzusehen.

Gegebenenfalls kann durch einen zusätzlichen weiteren Speicher in einer Kühlzelle, der mit Eisgemisch einer anderen Temperatur gefüllt wird, noch eine Mischtempera­ tur innerhalb einer Kühlzelle eingestellt werden.

In Fig. 3 wird eine eisgemischanbietende Station, eine als "Eistankstelle" benannte Station für drei verschie­ dene Temperaturen dargestellt. In einem ersten Bereich A wird das Eis erzeugt, gespeichert und entnommen, in ei­ nem Bereich B wird das Eis in die Kühlzelle gepumpt bzw. der Kühlzelle zirkuliert. Die drei separaten Eisanla­ gen X, Y und Z stellen Anlagen und verschiedene Tempera­ turen des Eisgemisches dar.

Nach den Erfordernissen der Abkühlung, der Kühllagerung und des Kühltransportes sind Eisgemischtemperaturen von beispielsweise -25°C, -10°C und -2°C denkbar. Die Aufteilung in Temperaturbereich und Temperaturen erfolgt produktbezogen unter Berücksichtigung der Temperaturver­ hältnisse in der Kühlzelle abhängig von deren Konstruk­ tion und den verwendeten Werkstoffen. Die Beschickung der Kühlzelle erfolgt gemäß Fig. 3 folgendermaßen:
Das im Kreislauf 1, 2, 3 erzeugte Eisgemisch wird mit der Pumpe 4 und unter Verwendung einer Absperrarmatur 5 an eine Kupplung 10 der Kühlzelle 7 gegeben. Die Kühlzelle 7 hat eine eigene Absperrarmatur 36. Das zirkulierende Eisgemisch bzw. das ggf. zuerst ver­ drängte aufgeschmolzene Eisgemisch wird über die Ar­ maturen 8, 10 und 9 zurück in den Eisspeicher 2 ge­ pumpt. Die Kupplung 10 ist stellt also die Schnitt­ stelle zwischen der Eisanlage und der Kühlzelle 7 dar. Dabei können die Apparaturen 5, 8, 9 und 36 als selbständige Armaturen ausgeführt sein (z. B. Magnet­ ventile, Rückschlagventile bzw. Klappen und ähnli­ ches), die manuell oder automatisch aktivierbar sind.

Die Wandsegmente der Kühlzelle gegebenenfalls auch dop­ pelwandige Türen usw. können untereinander verbunden sein (jeweils nur eine Zu- und Abführung des Eisgemi­ sches pro Kühlzelle) oder getrennt über Schläuche, Rohr­ leitungen und andere Strömungskanäle) individuell oder in Gruppen versorgt werden. Die Kühlzellen können nur mit gekühlten Wänden oder auch mit separaten Wärmeaus­ tauschern ausgestattet sein. Gegebenenfalls kann zur Er­ höhung der Konvektion innerhalb der Kühlzelle noch die Vorsehung zusätzlicher Ventilatoren 44 (vgl. Fig. 4) vorteilhaft sein. Die Ventilatoren können über einer Decke, jedoch auch an den Wänden oder an anderer Stelle angeordnet werden).

In Fig. 5 wird zusätzlich eine Variante dargestellt, bei der das in der Doppelwandung gespeicherte Eisgemisch über einen Luftkühler 53 als zusätzliche Kühlung (als erzwungenen Konvektion) dem Raum zugeführt wird. Eine gegebenenfalls erforderliche Umwälzpumpe für das Eisge­ misch in der Doppelwandung ist nicht dargestellt.

In einer weiteren Variante wird in Fig. 6 eine Kühlzelle nur in Wärmedämmung 64 mit einem Eisspeicher 62 an einer (Schmal-) Seite dargestellt, wobei in dem Volumen genü­ gend Eisgemisch vorgesehen ist, um die Kühlzelle zu ver­ sorgen. Die Luft in der Kühlzelle wird somit (nahezu) ausschließlich über den Luftkühler 53 gekühlt. Die gege­ benenfalls erforderliche Umwälzpumpe für das Eisgemisch ist ebenfalls hier nicht dargestellt.

Für einen Einsatz als Transportkühlung können die Kühl­ zellen mit Maßen üblicher Container so ausgebildet wer­ den, daß sie auf eine Fahrzeug aufsetzbar sind. Damit können die Kühlzellen von den Fahrzeugen leicht getrennt oder umgesetzt werden und bei Nichtbedarf einer Kühlung stehen die Fahrzeuge anderen Einsatzzwecken zur Verfü­ gung. Weiter wird damit ein Umladen der Kühlprodukte mit einem eventuellen Unterbrechen der Kühlkette vermieden.

In einer alternativen Ausführungsform (nicht darge­ stellt) werden die Wandungen jedoch als flexible flächi­ ge, bevorzugt fest miteinander verbundene Abschnitte (gegebenenfalls aber auch voneinander separierbar) aus­ geführt, so daß sie bei Entleerung des Fluides sie sogar auf geringe Packmaße "zusammengerollt" werden können.

Claims (7)

1. Kühlzelle, gekennzeichnet durch ein in deren Wan­ dung eingesetztes Volumen eines zweiphasigen, flüssi­ gen Fluids, das über Befüllanschlüsse an der Wandung und Abgabeanschlüsse bei Bedarf zur Kühlung des In­ nenraums der Kühlzelle befüllbar und entleerbar ist.

2. Kühlzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweiphasige Fluid ein Eisgemisch aus Salz- oder Meerwasser ist.

3. Kühlzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gefüllte Doppelwand Innenraum eines containerähnlichen Behälters um­ schließt, wobei an einer Außenseite an die das Fluid­ volumen aufnehmenden Einrichtungen eine Wärmedämm­ schicht vorgesehen ist.

4. Kühlzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in den Doppelwänden vorgesehene Kanäle (22) mit einem horizontalen, in die Vertikale meanderndem Verlauf.

5. Kühlzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kanäle (22) aus Metallrohr bestehen, daß mit einer den Innenraum bildenden Edelstahlwandung in Kältetransportverbindung steht.

6. Kühlzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch im Innenraum vorgesehene Luft­ kühler (53), die in Flüssigkeitskommunikation mit dem der Wandung eingesetzten Kältevolumen (62) stehen.

7. Kühlzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen als flexi­ ble fluidbefüllbare flächige Abschnitte gebildet sind.