DE69300669T2

DE69300669T2 - Gefriereinrichtung.

Info

Publication number: DE69300669T2
Application number: DE1993600669
Authority: DE
Inventors: Jeremy Paul Miller
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: DE69300669D1; EP0583692B1; EP0583692A1; GB9217189D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Gefriervorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 definiert ist. Eine solche Gefriervorrichtung ist beispielsweise in der US-A-4 276 753 oder in der US-A-3 277 657 gezeigt.
Viele Lebensmittel werden im Handel mittels flüssigen Stickstoffs in Tunnelgefriervorrichtungen gefroren. Der flüssige Stickstoff, dessen Temperatur bei -196ºc liegt, kühlt die Lebensmittel schnell, wobei ihre Farbe, ihr Aroma und ihr Aussehen im wesentlichen erhalten bleiben.
Eines der mit der Verwendung von flüssigem Stickstoff verbundenen Probleme besteht darin, daß dessen Dampf erstickend wirkt und daß folglich sichergestellt werden muß, daß der Stickstoffdampf nicht in den Arbeitsbereich um die Tunnelgefriervorrichtung eintritt. Hierzu sind Tunnelgefriervorrichtungen mit einem Abgasrohr und einem Abgasgebläse versehen, die den Stickstoff aus der Tunnelgefriervorrichtung saugen und entfernt vom Arbeitsbereich in die Atmosphäre blasen.
Idealerweise sollte die Menge des ausgeblasenen gasförmigen Stickstoffs genau der Menge des in die Tunnelgefriervorrichtung eingeleiteten flüssigen Stickstoffs entsprechen. In der Praxis wird jedoch im Interesse der Sicherheit das Abgasgebläse so betrieben, daß der gesamte aus der Verdampfung des flüssigen Stickstoffs sich ergebende Stickstoff zusammen mit einem kleinen Luftvolumen, das unvermeidlich in die Gefriervorrichtung gesaugt wird, ausgeblasen wird.
Die Steuerung des Abgasgebläses ist sowohl im Hinblick auf die Sicherheit als auch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wichtig. Eine zu geringe Abführung könnte eine erstickende Atmosphäre zur Folge haben, während eine zu hohe Abführung zur Folge hat, daß über den Produkteinlaß und dem Produktauslaß überschüssige Luft in die Tunnelgefriervorrichtung gesaugt wird, wodurch die Wärmebelastung wegen der Kühlung der Luft ansteigt und vom Wasserdampf in der Luft in der Gefriervorrichtung Frost abgelagert wird. Unter extremen Bedingungen kann so viel Frost aufgebaut werden, daß ein effizienter Betrieb der Gefriervorrichtung verhindert wird, so daß eine langwierige Enteisung notwendig ist, bevor der Gefriervorgang wieder aufgenommen werden kann.
Derzeit gibt es zwei Typen von in Gebrauch befindlichen Steuersystemen, wobei diese und deren Nachteile im folgenden mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen diskutiert werden.
Die vorliegende Erfindung zielt wenigstens in ihren bevorzugten Aus führungs formen darauf, die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu beseitigen oder wenigstens zu verringern.
Die EP-A-0 159 858 betrifft hauptsächlich die Bestimmung des Verbrauchs des Tiefsttemperaturfluids in einer Gefriervorrichtung. Die Beschreibung enthält einen Verweis auf die Steuerung der Drehzahl des Abgasgebläses in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgasrohr. Es findet sich jedoch kein Hinweis darauf, wie eine solche Modifikation in einem Gesamtsteuersystem einzubauen wäre.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gefriervorrichtung geschaffen, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
Vorteilhaft ist das Mittel, das auf das zweite Signal anspricht, um die Dampfströmung durch das Abgasrohr zu steuern, so beschaffen, daß es wenigstens einen der drei folgenden Parameter verändert:
(a) die Drehzahl des Abgasgebläses;
(b) die Neigung der Schaufeln des Abgasgebläses; und
(c) den Verschluß eines Elements, das die Strömung durch das Abgasrohr sperrt.
Vorzugsweise ist der Gassensor ein Sauerstoffsensor.
Obwohl die vorliegende Erfindung auf sämtliche Gefriervorrichtungen anwendbar ist, die flüssige kryogene Mischungen zum Gefrieren verwenden, ist sie insbesondere auf Gefriervorrichtungen anwendbar, in denen der Gefrierabschnitt ein Tunnel mit einer Fördereinrichtung ist, die durch an gegenüberliegenden Enden des Tunnels sich befindende Öffnungen verläuft.
Vorzugsweise enthält der Gefrierabschnitt wenigstens ein Umwälzgebläse, das das Tiefsttemperaturfluid zum Abgasrohr bläst, einen zweiten Gassensor, der die Konzentration des Gases in der Nähe der vom Abgasrohr entfernten Öffnung erfaßt, sowie ein Mittel, das auf den zweiten Gassensor anspricht, um den Ausgang des Umwälzgebläses zu verändern.
Vorteilhaft ist der zweite Gassensor außerhalb des Gefrierabschnitts angeordnet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die eine Gefriervorrichtung mit einem bekannten Steuersystem zeigt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung ist, die eine Gefriervorrichtung mit einem weiteren bekannten Steuersystem zeigt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung ist, die eine Gefriervorrichtung gemäß der Erfindung zeigt; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung ist, die eine Weiterentwicklung des Steuersystems der in Fig. 3 gezeigten Gefriervorrichtung zeigt.
In den beigefügten Zeichnungen sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, um in den verschiedenen Ausführungsformen Teile mit ähnlichen Funktionen zu bezeichnen.
In Fig. 1 ist eine herkömmliche Tunnelgefriervorrichtung gezeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Die Tunnelgefriervorrichtung 1 enthält eine Fördereinrichtung 2, die Hamburger 3 (oder andere zu gefrierende Artikel) in Richtung des Pfeils A trägt.
In den Tunnel 4 wird durch einen Sprühstab über ein Einlaßrohr 5 flüssiger Stickstoff eingeleitet, wobei die Wärmeübertragung zwischen dem kalten verdampfenden Stickstoff und den Hamburgern 3 durch Umwälzgebläse 6, gesteigert wird, die den kalten verdampfenden Stickstoff (der bestrebt ist, sich auf dem Boden des Tunnels 4 abzusetzen) nach oben saugen und ihn horizontal in Gegenströmung auf die Hamburger 3 zu blasen.
Die Strömung durch das Abgasrohr 9 ist wichtig. Wenn sie zu niedrig ist, entweicht der Stickstoff durch die Öffnungen 10, 11 an jedem Ende des Tunnels 4. Ein Aufbau von Stickstoff in diesem Bereich könnte das Ersticken des Personals zur Folge haben und ist daher unannehmbar. Falls die Strömung durch das Abgasrohr 9 andererseits zu hoch ist, wird Stickstoff verschwendet, und, noch wichtiger, Luft tritt durch die Öffnungen 10, 11 in den Tunnel 4 ein. Die Feuchtigkeit in dieser Luft kondensiert und gefriert im Tunnel 4 und wird fortgesetzt im Tunnel 4 und auf den Umwälzgebläsen 6 und sowie auf dem Abgasgebläse 8 aufgebaut, wodurch der Wirkungsgrad des Tunnels 4 zunehmend verschlechtert wird.
Derzeit gibt es zwei in Gebrauch befindliche Steuersysteme.
Wie zunächst in Fig. 1 gezeigt, befindet sich ein erster Temperatursensor 101 im Tunnel 4, während sich ein zweiter Temperatursensor 102 im Abgasrohr 9 befindet. Im Betrieb werden die Signale von den zwei Temperatursensoren 101, 102 in einer Steuereinheit 103 verglichen, wobei ein Signal 104 erzeugt wird, das von der Differenz zwischen den Temperaturen bei den zwei Temperatursensoren 101, 102 abhängt. Dieses Signal 104 wird dann dazu verwendet, die Drehzahl des Abgasgebläses 8 im Abgasrohr 9 zu steuern. Das Ziel des Steuersystems ist, sicherzustellen, daß die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Temperatursensoren 101, 102 auf einem konstanten, vorgegebenen Pegel gehalten wird.
Das diesem Steuersystem zugrundeliegende Prinzip besteht darin, daß, um sicherzustellen, daß Stickstoff nicht in den Arbeitsbereich entweicht, das Abgasgebläse 8 in der Weise betätigt wird, daß eine kleine, ständige Luftströmung 105 durch die Öffnung 11 durch den Tunnel 4 stattfindet. Die Luft 105 vermischt sich mit dem Stickstoffdampf 106, wobei sich das Gemisch durch das Abgasrohr 9 bewegt, wo die Temperatur des Gemisches durch den zweiten Temperatursensor 102 erfaßt wird.
Die Temperatur beim Temperatursensor 101 wird durch Verändern der Zufuhr von flüssigen Stickstoff durch das Einlaßrohr 5 zum Sprühstab mittels des Steuerventils 108 in Übereinstimmung mit der beim Temperatursensor 101 erfaßten Temperatur im wesentlichen konstant gehalten. Daher wird die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 102 und 101 als Maß für den Anteil der durch die Öffnung 11 sich bewegenden Luft angesehen.
Wenn die Umgebungsluft und die in die Tunnelgefriervorrichtung 1 eintretenden Hamburger die gleiche Temperatur oder ähnliche Temperaturen besitzen, arbeitet dieses Steuersystem zufriedenstellend.
Die Nachteile dieser Anordnung bestehen darin, daß die zwei Temperatursensoren 101, 102 (und insbesondere der Temperatursensor 102) für eine Eisbildung empfindlich sind. Außerdem entstehen Probleme, wenn das in den Tunnel 1 eintretende Produkt heiß ist. Insbesondere ist die Rate, mit der Produkte in einen Gefriertunnel eintreten, wenig gleichmäßig. Wenn ein heißes Produkt, beispielsweise ein heißer Hamburger 104 durch die Öffnung 11 in den Tunnel 4 eintritt, erwärmt er die lokale Atmosphäre, die durch das Abgasrohr 9 angesaugt wird, wodurch die Temperatur beim Temperatursensor 102 ansteigt. Das Steuersystem interpretiert diese Wärmezufuhr als Hinweis auf einen hohen Luftanteil und reagiert durch Reduzierung der Drehzahl des Abgasgebläses 8, um zu versuchen, die Temperatur beim Temperatursensor 102 abzusenken und die im voraus eingestellte Temperaturdifferenz wiederherzustellen. Es ist deutlich, daß dieses Ansprechverhalten zur Folge haben kann, daß sich durch die Öffnungen 10, 11 in den die Tunnelgefriervorrichtung 1 umgebenden Bereich überschüssiger Stickstoff bewegt. Es sollte vielleicht betont werden, daß, obwohl das Signal 104 bei einer konstanten Zufuhr von heißen Artikeln einfach kompensiert werden kann, Probleme entstehen, weil die Produktzufuhr wenig konstant ist und in der Praxis überschüssiger Stickstoff durch das Abgasrohr 9 ausgeblasen wird.
In dem in Fig. 2 gezeigten Steuersystem wird die Temperatur am Temperatursensor 201 gemessen, wobei ein Signal an eine Steuereinheit 203 gesendet wird. Dann wird ein Signal 207 an das Steuerventil 208 geschickt, um das Steuerventil 208 im Hinblick darauf, die Temperatur am Temperatursensor 201 im wesentlichen konstant zu halten, zu öffnen oder zu schließen. Gleichzeitig wird an das Abgasgebläse 8 ein Signal 209 geschickt, um die Drehzahl des Abgasgebläses 8 in Abhängigkeit von dem in die Tunnelgefriervorrichtung 1 eintretenden flüssigen Stickstoff zu verändern.
Diese Anordnung besitzt ebenfalls Nachteile. Insbesondere sind in handelsüblichen Installationen zwischen der Quelle für flüssigen Stickstoff und dem Sprühstab isolierte Rohre mit beträchtlicher Länge vorhanden. Entsprechend dem Verbrauch von flüssigem Stickstoff kann sich die Phase des flüssigen Stickstoffs unmittelbar stromaufseitig vom Sprühstab von reiner Flüssigkeit zu nahezu reinem Dampf verändern. Die Einstellung des Steuerventils 208 berücksichtigt jedoch die Phase der kryogenen Mischung nicht. Somit kann die Kühlungswirkung für eine gegebene Ventilöffnung erheblich schwanken. Die Drehzahl des Abgasgebläses 8 ist jedoch für eine gegebene Ventilöffnung fest.
In einer Weiterentwicklung, die gestrichelt gezeichnet ist, regelt die Steuereinheit 203 auch die Drehzahl der Umwälzgebläse 6 und 7, um den Stickstoff vom Sprühstab zum Abgasrohr 9 zu blasen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist im Abgasrohr 9 stromaufseitig vom Abgasgebläse 8 ein Sauerstoffsensor angeordnet. Das Signal vom Sauerstoffsensor 310 wird zur Steuereinheit 313 übertragen, die ein Signal 311 erzeugt, das das Abgasgebläse 8 in der Weise steuert, daß die Sauerstoffkonzentration beim Sauerstoffsensor 310 einen konstanten, vorgegebenen Pegel besitzt.
Die Strömung flüssigen Stickstoffs zur Tunnelgefriervorrichtung 1 wird als Antwort auf die durch den Temperatursensor 301 erfaßte Temperatur gesteuert. Insbesondere erzeugt der Temperatursensor 301 ein Signal, das die Temperatur am Temperatursensor 301 repräsentiert. Das Signal wird dann an eine Steuereinheit 303 geschickt, die das Steuerventil 308 mit dem Ziel, die Temperatur am Temperatursensor 301 auf einem vorgegebenen Pegel konstant zu halten, öffnet und schließt.
Im Betrieb wird angenommen, daß die Tunnelgefriervorrichtung 1 mit der konstanten Strömung von vom Sprühstab abgegebenem flüssigen Stickstoff im Gleichgewicht ist, um eine konstante Temperatur am Temperatursensor 301 aufrechtzuerhalten. Das Abgasgebläse 8 arbeitet mit konstanter Drehzahl, wobei eine geringe Luftmenge durch die Öffnung 11 eingesaugt wird, so daß die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor 310 ungefähr 10,5 % (Volumenprozent) beträgt.
Wenn durch die Öffnung 11 in den Tunnel 4 besonders heiße Hamburger oder Teller mit vorbereiteten Gerichten eingeführt werden, hat dies auf das Abgasgebläse 8 keinen Einfluß, da der Sauerstoffgehalt am Sauerstoffsensor 310 unverändert bleibt.
Wenn die heißen Hamburger sich am Temperatursensor 301 vorbeibewegen, steigt die Temperatur an, was eine erhöhte Wärmebelastung anzeigt. Die Steuereinheit 303 öffnet das Ventil 308, um durch das Einlaßrohr 5 zum Sprühstab mehr flüssigen Stickstoff durchzulassen. Wenn der flüssige Stickstoff verdampft, expandiert er und hat die Wirkung, die Strömung von Luft durch die Öffnung 11 in den Tunnel zu verhindern. Dies hat zur Wirkung, daß die vom Sauerstoffsensor 310 erfaßte Sauerstoffkonzentration absinkt, so daß die Steuereinheit 313 ein Signal 311 erzeugt, um die Drehzahl des Abgasgebläses 8 zu erhöhen, bis ausreichend viel Luft durch die Öffnung 11 angesaugt wird, um die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor 310 auf den gewünschten Pegel zurückzuführen.
Wenn die Wärmebelastung abnimmt, bewirkt das Signal vom Temperatursensor 301, das die Steuereinheit 303 das Steuerventil 308 schließt. Wenn die Strömung von flüssigem Stickstoff durch den Sprühstab 5 abnimmt, nimmt das Volumen des längs des Tunnels 4 sich bewegenden Stickstoffs ab. Folglich wird durch die Öffnung 11 mehr Luft angesaugt, so daß die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor 310 ansteigt. Das Signal vom Sauerstoffsensor 310 wird durch die Steuereinheit 313 verarbeitet, wobei sie die Drehzahl des Abgasgebläses 8 absenkt, bis die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor 310 auf seinen gewünschten Pegel zurückkehrt.
Es wird angemerkt, daß die Drehzahl des Abgasgebläses 8 von der Einstellung des Steuerventils 308 unabhängig ist, wodurch die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme verringert werden.
In Fig. 4 ist eine Weiterentwicklung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung gezeigt. Insbesondere ist zusätzlich zu den in Fig. 3 gezeigten Teilen zwischen der Öffnung 10 und dem Sprühstab ein zweiter Sauerstoffsensor 410 angeordnet. Der Sauerstoffsensor 410 überträgt ein Signal an eine Steuereinheit 411, die die Drehzahl der Umwälzgebläse 6 und 7 steuert, um die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor 410 im wesentlichen konstant zu halten.
Es sind viele verschiedene Abwandlungen der mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise könnte auch ein Stickstoffsensor verwendet werden, obwohl ein Sauerstoffsensor bevorzugt wird. Falls gewünscht, könnte der Sauerstoffsensor 410 in Fig. 4 in der Nähe der Öffnung 10 außerhalb des Tunnels 4 angeordnet sein. In einer solchen Ausführungsform würde die Drehzahl der Umwälzgebläse 6 und 7 erhöht, falls in der Atmosphäre überschüssiger Stickstoff erfaßt wurde.
Obwohl die Drehzahl des Abgasgebläses 8 verändert wird, um die Strömung durch das Abgasrohr 9 zu steuern, sind verschiedene Alternativen möglich, beispielsweise könnte die Neigung der Schaufeln des Gebläses verändert werden. Alternativ könnte die Drehzahl des Abgasgebläses 8 konstant gehalten werden, während der effektive Durchmesser des Abgasrohrs beispielsweise durch Veränderung der Einstellung eines Klappenventils oder einer variablen Blende im Abgasrohr 9 verändert wird.

Claims

1. Gefriervorrichtung, mit einem Gefrierabschnitt (4), einem Einlaß (5) für die Zufuhr von Tiefsttemperaturfluid zum Gefrierabschnitt (4), einem Abgasrohr (9) für den Transport von Dampf vom Gefrierabschnitt (4), einem Abgasgebläse (8) für die Abführung von Dampf vom Gefrierabschnitt (4) durch das Abgasrohr (9) und einem Steuersystem für die Steuerung der Strömung des Tiefsttemperaturfluids durch den Einlaß (5) und der Strömung des Dampfes durch das Abgasrohr (9), wobei das Steuersystem enthält:

(a) einen Temperatursensor (301), der ein erstes Signal erzeugt, das die Temperatur im Gefrierabschnitt (4) angibt

(b) ein Mittel (308), das auf das erste Signal anspricht und die Strömung des Tiefsttemperaturfluids durch den Einlaß (5) steuert;

wobei die Gefriervorrichtung gekennzeichnet ist durch

(c) einen Gassensor (310), der ein zweites Signal erzeugt, das die Gaskonzentration im Abgasrohr (9) angibt und

(d) ein Steuermittel, das auf das zweite Signal anspricht und die Strömung des Dampfes durch das Abgasrohr (9) steuert;

wobei die Anordnung von der Art ist, daß im Gebrauch das Volumen des dem Gefrierabschnitt (4) zugeführten Tiefsttemperaturfluids durch den Temperatursensor (301) bestimmt wird und das Volumen des vom Gefrierabschnitt (4) abgeführten Dampfes durch den Gassensor (310) gesteuert wird, um so eine zu geringe Abführung, die eine erstikkende Atmosphäre im Arbeitsbereich um die Gefriervorrichtung zur Folge haben könnte, sowie eine zu große Abführung zu verhindern, die zur Folge haben könnte, daß überschüssige Luft in die Gefriervorrichtung eingesaugt wird und in der Gefriervorrichtung von dem in der Luft vorhandenen Wasserdampf Frost abgelagert wird.

2. Gefriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel, die auf das zweite Signal ansprechen, um die Strömung des Dampfes durch das Abgasrohr (9) zu steuern, so beschaffen sind, daß sie wenigstens einen der drei folgenden Parameter verändern:

(a) die Drehzahl des Abgasgebläses (8);

(b) die Neigung der Schaufeln des Abgasgebläses (8); und

(c) den Verschluß eines Elements, das die Strömung durch das Abgasrohr (9) sperrt.

3. Gefriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (310) ein Sauerstoffsensor ist.

4. Gefriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefrierabschnitt ein Tunnel (4) ist, der eine Fördereinrichtung enthält, die durch an dessen gegenüberliegenden Enden befindliche Öffnungen (10, 11) verläuft.

5. Gefriervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnel (4) wenigstens ein Umwälzgebläse (6, 7), das Tiefsttemperaturfluid zum Abgasrohr (9) bläst, einen zweiten Gassensor (410), der die Gaskonzentration in der Nähe der vom Abgasrohr (9) entfernten Öffnung (10) erfaßt, sowie Mittel enthält, die auf den zweiten Gassensor (410) ansprechen, um den Ausgang des Umwälzgebläses (6, 7) zu verändern.

6. Gefriervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gassensor (410) außerhalb des Tunnels (4) angeordnet ist.