DE19833761A1 - Kühlzelle oder Kühlbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kühlzelle oder eines Kühlbehälters, die sowohl eine mehrstündige, netzunabhängige Kühlung mit gespeicherter Kälte als auch eine stationäre Kühlung bei vorhandener Stromversorgung ermöglichen und die bei einer weitgehend homogenen Temperaturverteilung im Innenraum eine hohe Kühlqualität bieten.

Bekannt sind Kühlzellen, deren nach außen isolierte Hohlwände (Hohlwandbehälter) ein pumpbares, latente Kälte enthaltendes Fluid aufnehmen können und die es gestatten, beliebig eingelagertes Kühlgut solange zu temperieren, wie der Phasenwechsel des Latentkältefluids dauert. Anschließend wird das verbrauchte Latentkältefluid durch frisches ersetzt und der Kühlvorgang fortgesetzt, wobei beliebige Kombinationen aus stationärem und Speicherbetrieb möglich sind.

Bekannte Latentkältefluide haben die naturgemäße Eigenschaft, daß bei dem für die Kältebereitstellung genutzten Phasenwechsel eine Entmischung der Phasen eintritt - die spezifisch schwerere Phase, im allgemeinen der Bestandteil, der den Phasenwechsel bereits vollzogen hat, setzt sich unten im Hohlwandbehälter ab und kann dadurch nicht mehr als Wärmesenke dienen.

Mit weiter fortschreitendem Phasenwechsel resultiert aus dieser Entmischung eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über der Höhe der Hohlwandbehälter und damit eine ungleichmäßige Kühlung, die z. B. vor dem Hintergrund gesetzlicher Normen und Richtlinien für den gekühlten Lebensmitteltransport unerwünscht bzw. nicht zulässig ist.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Latentkältefluid naturgemäß Luft- oder Gasbestandteile enthält, die während eines Befüllvorgangs mit in die Hohlwandbehälter gepumpt werden und sich während eines Kühlvorgangs oberhalb der beiden Phasen des Latentkältefluids absetzen. Diese Gase werden beim folgenden Befüllvorgang nicht vollständig aus den Hohlwandbehältern heraustransportiert. Da mit weiterem Frisch-Latent­ kältefluid zusätzlich Gase in den Hohlwandbehälter eingebracht werden, nimmt die Gesamt-Gasmenge kontinuierlich bis zu einem von der jeweiligen Konstruktion abhängigen Maximum zu, was insgesamt zu einer Reduzierung der Kältekapazität und der Kälteleistung führt.

Um der Entmischung von Wasser- und Eisanteilen vorzubeugen, erscheint es für solche Kühlzellen naheliegend, deren Hohlwandbehälter innen so mit Strömungskanälen zu versehen, daß beim Phasenwechsel keine Entmischung des Latentkältefluids über der Behälterhöhe erfolgen kann, sondern lediglich innerhalb von mehr oder weniger kleinen Segmenten. Diese dürfen, wie einfache Überlegungen ergeben, nicht labyrinthmäßig/horizontal übereinander verlaufen, da sich sonst wieder eine Entmischung von ganz oben nach ganz unten einstellen könnte. Daher erscheint es zwingend, die Segmente mit kombinierter horizontaler und vertikaler Form so übereinander anzuordnen, daß sich eine Zickzackform der ineinandergeschachtelten Segmente ergibt. Daraus resultiert beim Phasenwechsel in jedem Segment eine definierte Positionen der beiden Phasen und in der Folge eine quasi-konstante Temperaturverteilung über der Höhe sowie eine nahezu gleichmäßige Kühlwirkung auf beliebig eingelagertes Kühlgut. Aber auch diese Variante ist mit wesentlichen Nachteilen verbunden. Eine solche Konstruktion ist fertigungstechnisch sehr aufwendig und mit einem höheren Gewicht für den Hohlwandbehälter verbunden. Es treten erhebliche Strömungswiderstände für das Latentkältefluid auf, was sich verlängernd auf die Befüllzeiten mit Frisch-Latent­ kältefluid auswirkt. Wegen der zickzackförmigen Strömungskanäle ist es nicht mehr auf einfache Weise möglich, das Latentkältefluid vollständig aus dem Hohlwandbehälter abzulassen - er muß entweder vielfach hin- und hergekippt werden, oder das Latentkältefluid muß mittels Preßluft herausgeblasen werden. Nicht gelöst ist das Problem der verbleibenden Restgase, die sich ansammeln können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung einer mobilen, mit Latentkältefluid betriebenen Kühlzelle, deren Kühlgut nahezu homogen temperiert wird und deren Latentkältefluid bei minimalen Strömungswiderständen im Inneren der Hohlwandbehälter und unter Verhinderung der Aufsummierung von Lufteinschlüssen befüllt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Kühlzelle besteht aus einem isolierten Gehäuse, in dessen Innerem sich ein Hohlwandbehälter/Hohlwandbehälter-Verbund befindet und das von einer isolierten Tür verschlossen wird. Der mit Latentkältefluid gefüllte Hohlwandbehälter, dessen Kühlraum-Innenseite als Wärmeaustauscherfläche dient, nimmt in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen (ohne Berücksichtigung der Tür) mindestens eine und höchstens fünf Wände des Kühlraums ein, und er verfügt an einer der möglichen Außenseiten, vorzugsweise oben und unten, über Anschlüsse zum Zuführen und Abführen des Latentkältefluids. Die Seitenwände des Kühlraums sind auf geeignete Weise mit mehreren, kleinen, horizontal verlaufenden Ebenen versehen, die als Auflageflächen für Einschübe, Schiebladen und Behälter dienen, auf denen das Kühlgut gelagert wird.

Erfindungsgemäß ist durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt, daß im Kühlraum ein vertikaler Luftaustausch stattfinden kann. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Kühlgutablagen aus gelochtem Material hergestellt werden und/oder dadurch, daß an den Hohlwandbehälterwänden oder den Seiten der Kühlgutablagen Durchtrittsöffnungen für Luft geschaffen werden. Dadurch stellt sich im Kühlbetrieb eine freie Konvektion ein:
Aufgrund ihrer geringeren Dichte strömt warme Luft im Kühlraum-Inneren immer nach oben, kühlt sich an den oder an der kalten Wand ab und fällt anschließend, wegen der größeren Dichte wieder nach unten und nimmt dort oder auf dem Weg von außen eindringende Wärme oder Wärme vom Kühlgut auf woraufhin der Prozeß von vorn beginnt. Gleichzeitig erfolgt aufgrund der ebenfalls dichtebedingten Phasenseparation im Inneren des oder der Hohlwandbehälter eine umgekehrte Bewegung: die warmen und spezifisch schweren Bestandteile setzen sich nach unten ab und die kalten und spezifisch leichten Bestandteile nach oben. Es ist damit sichergestellt, daß die warme, nach oben strömende Luft im Verlauf des Prozesses immer zu den kältesten Wandbereichen im Kühlraum strömt und dort optimal abgekühlt wird. Dieses Verfahren der erzwungenen, freien Konvektion hat den Vorteil, daß sich nach Türöffnungen und Entnahme von Kühlgut sehr schnell wieder eine nahezu homogene Temperaturverteilung im Kühlraum einstellt und sogar frisches Kühlgut aufgrund der ständigen Umströmung mit Kaltluft sehr schnell abgekühlt werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Austausch des Latentkältefluids wird in einer 1. Phase frisches Latentkältefluid von unten in die Hohlwandbehälter der Kühlzelle eingebracht, vorzugsweise bis vorhandene Luft nach oben aus den Hohlwandbehältern der Kühlzelle entwichen ist. So wird sichergestellt, daß die im Behälter vorhandene Luft, die während eines folgenden Wärmeaustauschvorgangs die Kälteleistung sowie die -kapazität reduzieren würde, aus dem Behälter heraus zum Systemauslaß transportiert wird.

Aufgrund der Dichteunterschiede von frischem und verbrauchtem Latentkältefluid lösen sich beim von unten erfolgenden Eintritt in den Behälter jeweils kleine Volumina des frischen Latentkältefluids und treiben innerhalb des sie umgebenden Latentkältefluids höherer Dichte nach oben, wobei eine Vermischung der beiden Phasen erfolgt. An der inneren Behälteroberfläche setzt sich dann mit der Zeit eine aus frischem und verbrauchtem Latentkältefluid bestehende Mischphase ab, die - liefe der Befüllvorgang auf diese Weise weiter - teilweise aus dem System heraustransportiert wurde. Wegen der Mischvorgänge und den damit verbundenen Spülverlusten (Abtransport von Teilen der aufgeschwommenen frischen Phase) würde ein derartig durchgeführter, vollständiger Austausch des verbrauchten Latentkältefluids viel Zeit benötigen und mit energetischen Verlusten behaftet sein.

Daher wird die Befüllrichtung erfindungsgemäß nun - nachdem die Luft abtransportiert ist - umgedreht. In einer 2. Phase wird frisches Latentkältefluid von oben in die Hohlwandbehälter der Kühlzelle eingebracht, während das Latentkältefluid höherer Dichte unten aus den Hohlwandbehältern der Kühlzelle abfließt. Das dadurch von oben in den Behälter hineinströmende frische Latentkältefluid bleibt aufgrund der geringeren Dichte oben im Behälter und verdrängt durch nachströmendes das verbrauchte Latentkältefluid höherer Dichte nach unten, wird anschließend, wenn der Behälter vollständig gefüllt ist, ebenfalls aus dem Behälter herausgedrückt, gelangt in den Rücklauf und kann dort mittels eines geeigneten Meßverfahrens detektiert werden, woraufhin der Befüllvorgang abgeschlossen wird.

Der oder die Hohlwandbehälter weisen erfindungsgemäß jeweils mindestens einen Zu- und einen Rücklauf oben und unten an den Hohlwandbehältern der Kühlzelle auf, die wechselseitig so ansteuerbar sind, daß sich entweder oben der Zulauf und unten der Rücklauf oder oben der Rücklauf und unten der Zulauf befinden. Zu- und Rücklauf sind ihrerseits über vorzugsweise leckagefreie oder -arme Schnellkupplungen mit dem Latentkältefluid-Kreislauf verbunden, wobei sich in Kupplungsnähe Absperrventile befinden. Über die Schnellkupplungen werden die Hohlwandbehälter zeitweise oder permanent an eine Latentkältefluid-Versorgungsleitung angeschlossen. Innerhalb des aus Zulauf und Pumpen sowie Rücklauf bestehenden Versorgungssystems befindet sich ein Mehrwegeventil, vorzugsweise ein Vierwegeventil, oder eine Kombination aus mehreren Ventilen, die die Steuerung zwischen den Funktionen Zu- oder Rücklauf und oben oder unten gewährleisten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen mobilen Kühlbehälter mit einer gelochten Kühlgutablage,

Fig. 2 das Latentkältefluid-Rohrsystem und einen Hohlwandbehälter (Phase 1) und

Fig. 3 das Latentkältefluid-Rohrsystem und einen Hohlwandbehälter (Phase 2).

Die in Fig. 1 dargestellte mobile Kühlzelle 2, die zum einfachen Transport auf Rollen 5 steht, ist an den Innenseiten mit Hohlwandbehältern 1 ausgerüstet, die von außen über Kupplungen permanent oder zeitweise an ein Latentkältefluid-Versorgungssystem angeschlossen sind. Die seitlichen Innenwände sind so gestaltet, daß mehrere horizontal angeordnete, gelochte Kühlgutablagen 3 in das Innere des Kühlraums 4 hineingeschoben werden können und das Kühlgut nicht beliebig in den Kühlraum 5 eingelagert wird, sondern innerhalb der von den Kühlgutablagen 3 vorgegebenen Grenzen. Die Löcher in den Kühlgutablagen 3 und eventuell seitliche Durchströmungsöffnungen ermöglichen eine freie Konvektion innerhalb des Kühlraums 4.

Ein in Fig. 2 skizzierter Hohlwandbehälter 1, der stellvertretend für einen aus mehreren Wänden bestehenden Hohlwandbehälter-Verbund dargestellt ist, weist jeweils einen Zu- und Rücklauf 10, 11 oben und unten am Hohlwandbehälter 1 auf, die wechselseitig so ansteuerbar sind, daß sich entweder oben der Zulauf und unten der Rücklauf oder oben der Rücklauf und unten der Zulauf befinden.

Der oben und unten angeordnete Zu- und Rücklauf 10, 11 ist jeweils oben und unten in einem Rohr 12, 13 vereint und die Steuerung zwischen den Funktionen Zu- oder Rücklauf erfolgt mittels eines Mehrwegeventils 7. Das Mehrwegeventil 7 ist hier ein Vierwegeventil, das über jeweils einen Anschluß zum oben angeordneten Zu/Rückfluß-Rohr 12 und zum unten angeordneten Zu/Rückfluß-Rohr 13 sowie zu einer Zuflußleitung 9 für frisches Latentkältefluid- und einer Rückflußleitung 8 für Luft und ausgetauschtes Latentkältefluid verfügt.

Die Verbindung zwischen dem Zu- und Rücklauf 10,11 und dem Latentkältefluidkreislauf erfolgt zweckmäßigerweise über lösbare Kupplungen.

Aus der Zuflußleitung 9 wird mittels einer Pumpe 6 frisches Latentkältefluid mit gespeicherter Latentwärme angesaugt und zum Mehrwegeventil 7 (hier dargestellt in der Variante als Vierwegeventil) gefördert. Die Wirkung der Pumpe 6 kann bei Bedarf durch eine Pumpe 14 ergänzt werden. In Fig. 2 ist die 1. Phase des Befüllvorgangs dargestellt, wobei das Mehrwegeventil 7 so geschaltet ist, daß mittels der Pumpe 6 das aus der Zuflußleitung 9 kommende frische Latentkältefluid in das Rohr 13 und von dort über den Zulauf 11 von unten in den Hohlwandbehälter 1 gefördert wird. Diese Stellung des Mehrwegeventils 7 wird solange aufrechterhalten, bis die anfanglich im Hohlwandbehälter 1 vorhandene Luft durch den Rücklauf 10, das Rohr 12 und das Mehrwegeventil 7 in die Rückflußleitung 8 transportiert wurde. Dann wird das Mehrwegeventil 7 auf die in Fig. 3 skizzierte Stellung umgeschaltet, so daß das aus der Zuflußleitung 9 kommende, frische Latentkältefluid nun oben in den Hohlwandbehälter 1 hinein- und unten wieder herausgefördert wird. Diese Vorgang wird solange aufrechterhalten, bis der Hohlwandbehälter 1 vollständig mit frischem Latentkältefluid gefüllt ist. Die Steuerung dieser Vorgänge erfolgt erfindungsgemäß über vorgegebene Zeiten für die beiden Phasen der Befüllung oder über Temperatur- bzw. Massen- oder Volumenmessungen an geeigneten Stellen im Leitungssystem oder andere geeignete Signalgeber, mit deren Hilfe die benötigten Signale detektiert werden können.

Besteht ein Hohlwandbehälter 1 aus mehreren getrennten Kühlsegmenten, verfügt jedes Kühlsegment jeweils über mindestens einen Zu- und einen Rücklauf (10, 11) oben und unten am Kühlsegment, die wechselseitig so ansteuerbar sind, daß sich entweder oben der Zulauf und unten der Rücklauf oder oben der Rücklauf und unten der Zulauf befinden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kühlzelle oder eines Kühlbehälters mit Hohlwandbehältern, die mit einem austauschbaren Latentkältefluid gefüllt sind und deren Kühlraum-Innenseite als Wärmeaustauscherfläche dient, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Hohlwandbehälter eine ungehinderte Trennung der spezifisch unterschiedlich schweren Phasen des eingebrachten Latentkältefluids über der vollständigen Behälterhöhe im Laufe des Kühlvorganges erfolgen kann und innerhalb der Kühlzelle eine vertikale Luftströmung vorherrscht sowie beim Austausch des Latentkältefluids in einer 1. Phase frisches Latentkältefluid von unten in die Hohlwandbehälter der Kühlzelle eingebracht wird, vorzugsweise bis vorhandene Luft nach oben aus den Hohlwandbehältern der Kühlzelle entwichen ist, und in einer 2. Phase frisches Latentkältefluid von oben in die Hohlwandbehälter der Kühlzelle eingebracht wird, während das Latentkältefluid höherer Dichte unten aus den Hohlwandbehältern der Kühlzelle abfließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung/Regelung des Austauschvorganges in Abhängigkeit von der Zeit, der Temperatur, dem Volumen oder der Masse des Latentkältefluids erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einer Kühlzelle oder einem Kühlbehälter, dessen Hohlwandbehälter, die mit einem austauschbaren Latentkältefluid gefüllt sind und deren Kühlraum-Innenseite als Wärmeaustauscher­ fläche dient, über Anschlüsse zum Ein- und Ausbringen von Latentkältefluid verfügen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens ein Zu- und ein Rücklauf (10, 11) oben und unten an den Hohlwandbehältern (1) der Kühlzelle (2) angeordnet sind, die wechselseitig so ansteuerbar sind, daß sich entweder oben der Zulauf und unten der Rücklauf oder oben der Rücklauf und unten der Zulauf befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oben und unten angeordnete Zu- und Rücklauf (10, 11) jeweils oben und unten in einem Rohr (12, 13) vereint sind und die Steuerung zwischen den Funktionen Zu- oder Rücklauf mittels eines Mehrwegeventils (7) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil (7) ein Vierwegeventil ist, das über jeweils einen Anschluß zum oben angeordneten Zu/Rückfluß-Rohr (12) und zum unten angeordneten Zu/Rückfluß-Rohr (13) sowie zu einer Zuflußleitung (9) für frisches Latentkältefluid und einer Rückflußleitung (8) für Luft und ausgetauschtes Latentkältefluid verfügt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwandbehälter (1) in mehrere getrennte Kühlsegmente unterteilt sind und jedes Kühlsegment jeweils mindestens einen Zu- und einen Rücklauf (10, 11) oben und unten am Kühlsegment aufweist, die wechselseitig so ansteuerbar sind, daß sich entweder oben der Zulauf und unten der Rücklauf oder oben der Rücklauf und unten der Zulauf befinden.