DE69304788T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturkühlung mittels Luft - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturkühlung mittels LuftInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kühlung von. Luft auf Tieftemperaturen, wobei die abgekühlte Luft unter anderem zum Einführen in einen Gefrierraum verwendet wird, damit Gegenstände, z.B. Lebensmittel, schnell abgekühlt werden
- US-Patente 4 315 409 und 4 317 665 beschreiben und beanspruchen Verbesserungen von Tieftemperaturgefriersystemen unter Verwendung von Luft mit Tieftemperaturen, wie sie in US-Patenten 3 733 848 und 3 868 827 beschrieben ist. Bei den Systemen der oben genannten Patente wird Luft, die der Umgebung der zu kühlenden vorrchtung, z.B. ein Gefrierraum füi Lebensmittel, entnommen wurde, auf eine Temperatur unter -118ºC (-180ºF) abgekühlt, so daß bei der Einführung mit dieser Temperatur in den Gefrierraum ein schnelles Gefrieren der Gegenstände im Gefrierraum erfolgen kann. Diese Gefrierräume finden in der Lebensmittelindustrie beim schnellen Einfrieren von Lebensmitteln zur Konservierung und zum Versand der Lebensmittel Verwendung.
- Herkömmliche Systeme beruhen auf der Rezirkulation der Atmosphäre aus dem Gefrierabteil, nachdem ein Teil der Kälteerzeugung durch erneute Kompression und Expansion abgezogen wurde, wodurch diese sehr niedrigen Temperaturen erreicht werden. Probleme dieses Umlaufsystems konzentrieren sich auf die Tatsache, daß die Bundesregierung eine gründliche Reinigung und Sanierung dieser Ausrichtungsart fordert. Ein Umlaufsystem, das aus einem schweren Teil der Anlage besteht, z.B. ein System, das Kompressoren und dergleichen umfaßt, damit Luft von Umgebungstemperatur auf weniger als -118ºC (-180ºF) gebracht wird, kann im allgemeinen für die Reinigung nicht leicht geöffnet werden. Diese Systeme sind deshalb für den Eisaufbau und Umlauf von Bakterienteuchen und Eisteilchen empfänglich, da die Atmosphäre ständig wiederverwendet wird.
- FR-A-2 234 041 betrifft Installationen für die Gewinnung von Eisen aus Abfailmetall und beschreibt die Bereitstellung eines Kühltunnels, in dem das Kältemittel Luft ist, und einer Gefrieranlage in dieser Anlage, in der die Luft als Betriebsflüssigkeit dient. Die den Kühltunnel verlassende Luft wird nicht rezirkuliert, sondern in die Atmosphäre abgelassen.
- Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 und 4 definiert ist, betrifft die Verwendung eines Tieftemperaturkühlungszyklus mittels Luft, insbesondere sehr kalter Luft in Gasform, die durch eine Reihe von Stufen mit Zwischenkühlung aus einem Kompressor und einem Turboverdampfer erzeugt wird. Das kalte Gas wird einem isolierten Gehäuse zugeführt, wodurch das schnelle Gefrieren der im isolierten Gehäuse enthaltenen Gegenstände erreicht wird. Ein derartiges isoliertes Gehäuse ist ein herkömmlicher Tieftemperaturgefrierraum für Lebensmittel, worin das zu gefrierende Lebensmittel mit Luft mit Temperaturen von weniger als etwa -200ºF (-129ºC) in Kontakt gebracht wird. Die aus dem isolierten Fach abgezogene Luft oder die dieses Fach verlassende Luft wird in das System integriert und wird nach dem Wärmeaustausch mit der Luft, die zum Einsprühen in das isolierte Fach abgekühlt werden soll, vor der Expansion verwendet. Die abgezogene Luft wird auf eine höhere Temperatur erwärmt, wodurch Systeme für die Entfernung von Feuchtigkeit und gasförmiger Verunreinigung aus dem Druckluftstrom vor dem Abkühlen und der Expansion regeneriert werden. Ein Teil der abgezogenen Luft wird sterilisiert, bevor sie für die Regenerierung verwendet wird und wird dann in die Atmosphäre abgegeben. Somit beruhen das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung auf nicht zirkulierender Luft, wodurch die Probleme herkömmlicher Systeme vermieden werden.
- Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung des Verfahrens und des Systems (Vorrichtung) nach der vorliegenden Erfindung.
- Eines der signifikanten Probleme bei der Verwendung mechanischer Kühlräume zum Gefrieren von Lebensmitteln besteht darin, daß bei den Temperaturen, die durch mechanische Kühlräume mit Chlorfluorkohlenstoffen oder Ammoniak als Kältemittel erzeugt werden, das zu gefrierende Produkt, insbesondere Lebensmittel, einer starken Dehydratation und dem Verlust von Geschmack und Qualität unterworfen wird, wenn es vom Endverbraucher verwendet wird. Mechanische Kühlräume können kalte Luft mit Temperaturen von etwa -35ºF (-37ºC) erzeugen. Tieftemperaturkühlvorrichtungen für Lebensmittel, die flüssigen Stickstoff verwenden, sind allgemein bekannt und dienen der Verhindcrung einer übermäßigen Dehydratation. Tieftemperaturgefriervorrichtungen für Lebensmittel, die ein anderes Kältemittel als Luft verwenden, z.B. Stickstoff oder Kohlendioxid, sind jedoch teuer und zeigen das Problem der sicheren Entlüflung des verdampften Kältemittels in der und um die Gefriervorrichtung.
- Nach der vorliegenden Erfindung erlauben das Verfahren und System die Verwendung von Luft, damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads und des Produktes unter Verwendung herkömmlicher Tieftemperaturgefriervorrichtungen erreicht wird, wobei die zusätzlichen Vorteile eines geringeren Eisaufbaus in der Gefriervorrichtung, geringerer Kosten und Zeiten für die Wartung und einer besseren Sanierung aufgrund der Tatsache bestehen, daß die Luft in der Konfiguration mit echtem offenem Zyklus nur einmal verwendet wird.
- Wie die Zeichnung zeigt, umfaßt das System 10 einen isolierten abgeschlossenen Raum 14. Der isolierte abgeschlossene Raum 14 zeigt unter anderem eine herkömmliche Gefriervorrichtung für Lebensmittel vom Spiral-, Aufprall- oder Tunneltyp, wie es auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Der mit 14 dargestellte isolierte abgeschlossene Raum wird abgekühlt, indem der Luftstrom 16 genommen und dieser Luftstrom 16 durch einen Partikel-Luftfilter 20 des Typs geleitet wird, der über 98% des partikelförmigen Materials herausfiltert, dessen mittlerer Durchmesser größer als 20 µm ist. Die filtrierte Luft wird durch die Leitung 22 zu einem mehrstufigen Kompressor 24 geleitet&sub1; wobei der Luftzufluß eine Temperatur von etwa 20ºF (-6,7ºF) bis 105ºF (40,5ºC) und einen Druck von 14,1 psia (97,21 kPa) hat. Der Kompressor 24 ist ein mehrstufiger Kompressor (z.B. vier Stufen) mit Zwischenkühlung, so daß die Luft in der Leitung 26, die den Kompressor 24 verläßt, etwa 198 psia (1365,01 kPa) und etwa 200ºF (93ºC) hat. Die Leitung 26 führt die komprimierte und erwärmte Luft zum Nachkühler 28, worin der Druckluftstrom ohne Druckverlust auf einen Bereich innerhalb plus oder minus 10ºF (5,5ºC) der Umgebung abgekühlt wird, und er wird durch die Leitung 30 zum Separator bzw. Abscheider 32 geleitet, worin das Wasser aus dem Druckluftstrom entfernt wird. Das Wasser aus dem Separator 32 kann durch die Leitung 34 zur Entsorgung entnommen werden, wie es auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Der Druckluftstrom wird vom Separator 32 durch die Leitung 36 zu einer Anordnung aus Trockner/Partikelentfernung geleitet, wobei die Teile im Kasten 38 dargestellt sind, der mindestens zwei Gefäße 39 und 40 umfaßt, die ein Material, z.B. Molekularsiebe enthalten, damit Feuchtigkeit und gasförmige Verunreinigungen entfernt werden. In Abhängigkeit von der Materialart in den Gefäßen 39, 40 können zusätzlich zur Entfernung der letzten Wasserdampfmengen auch gasförmige Verunreinigungen, wie Kohlendioxid, entfernt werden. Das System 38 umfaßt die erforderlichen Verteilerventile 42, 44, so daß die Gefäße 39 und 40 in Betrieb und/oder regeneriert sein können, wie es auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist. In der Anordnung 38 aus Trockner/Partielentfernung ist auch ein Partikelabscheider 46 enthalten, damit alles mitgerissene Siebmaterial oder anderes partikelförmiges Material im Druckluftstrom entfernt wird. Der Druckluftstrom wird aus dem Abscheider 46 durch die Leitung 48 zum Wärmeaustauscher 50 geleitet, worin der Druckluftstrom auf eine Temperatur von etwa -90ºF (-68ºC) abgekühlt wird, ohne daß mehr als ein vernachlässigbarer Wert des Drucks verloren geht. Der abgekühlte Druckluftstrom wird vom Wärmeaustauscher 50 über die Leitung 52 durch einen Partikelabscheider bzw. ein Partikelsieb 54 in die Leitung 56 für die Einführung in den Turboverdampfer 58 geleitet. Das Partikelsieb 54 ist enthalten, damit der Turboverdampfer 58 geschützt wird. Der abgekühlte Gasstrom verläßt den Turboverdampfer 58 durch die Leitung 60 mit etwa -250ºF (-157ºC) und 15,2 psia (104,79 kPa), damit wird er in den isolierten Raum 14 eingesprüht, wodurch ein abgekühlter Tieftemperaturraum zum Abkühlen oder Gefrieren der darin enthaltenen Gegenstände erzeugt wird. Wie bei jedem Kälteerzeugungssystem mit ausgeglichener Strömung wird die Luft, die die gesamte oder einen Teil ihrer Kälteerzeugungskapazität abgegeben hat, durch die Leitung 62 aus dem isolierten Raum abgezogen und durch einen Eis- und Partikelfilter 64 zur Leitung 66 durch den Wärmeaustauscher 50 abgezogen, wobei die Luft, die den Wärmeaustauscher mit etwa -10ºF (-73ºC) und 14,7 psia (97,21 kPa) betritt, den Wärmeaustauscher 50 in der Leitung 68 mit etwa 13,3 psia (91,69 kPa) und 90ºF (32,2ºC) verläßt. Der erwärmte- abgezogene Gasstrom in der Leitung 68 wird in ein Gebläse 70 eingeführt, verläßt das Gebläse 70 durch die Leitung 72, wird in den Sterilisator 74, z.B. einen UV-Sterilisator, eingeführt, verläßt den Sterilisator 74 durch die Leitung 76 und kann dann in das System 38 zur Regenerierung der Gefäße 39, 40 eingeführt werden und verläßt das System dann durch die Leitung 78. Die abgezogene Luft wird nie in das System rezirkuliert, sondern dient nur der Regenerierung der Adsorber im System 38, wodurch es keine Verschmutzung der ankommenden Luft gibt, da die abgezogene Luft sterilisiert wurde, und es gibt keinen Aufbau von Eis in der rezirkulierten Luft, da sie durch einen Eis- und Partikelfilter 64 geleitet wurde.
- Der Kompressor 24 und der Verdampfer 58 sind verbunden, indem im Kompressor ein zusätzliches Ritzel zur Befestigung des Verdarnpfers vorgesehen ist. Der Kompressor kann von einem mit zwei Wellen versehenen Induktionsmotor mit 1500 PS betrieben werden, der auch zum Antreiben des Vakuumgebläses 70 dienen kann. Das gesamte System kann abgesehen vom isolierten Behälter 14 auch auf einer Schiene befestigt sein, damit die Installation in eine vorhandene Anlage erleichtert ist, die zwei andere Arten von Kälteerzeugungssystemen verwendet. Der Nachkühler 28 kann ein Radiatorsystem mit geschlossenem Glykolkreis sein, das verwendet werden kann, um die Kühlung für die Zwischenstufen des Lufthauptkompressors 24 bereitzustellen und auch die Kühlung für die Abluft des Lufthauptkompressors zu liefern. Der isolierte Behälter 14 kann eine Gefriervorrichtung, z.B. eine Gefriervorrichtung für Lebensmittel vom Spiraltyp sein.
- Aus dem Vorstehenden kann man ersehen, daß die Luft für die Erzeugung von Tieftemperaturen zum Abkühlen eines isolierten Behälters oder zur Durchführung des Gefrierens von Lebensmitteln bei minimaler Dehydratation und Beeinträchtigung des Produktes während des Gefrierverfahrens verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße System erreicht die Beseitigung rezirkulierender Bakterien und Eisteilchen, wobei der Eisaufbau in der Gefriervorrichtung minimiert und somit die Wartungskosten verringert werden und die Sanierung des Systems verbessert wird.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erzeugung einer tiefgekühlten Atmosphäre in
einem abgeschlossenem Raum, welches die Schritte umfaßt:
Leiten eines Stroms von Umgebungsluft durch einen
Partikelfilter,
Komprimieren des filtrierten Luftstroms auf erhöhten Druck
und erhöhte Temperatur,
Abkühlen des Druckluftstroms auf etwa die Temperatur der
Umgebung,
Entfernen von Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen
aus dem Druckluftstrom, wobei der Luftstrom etwa die
gleiche Temperatur und den gleichen Druck beibehält,
Abkühlen des Druckluftstroms auf eine Temperatur von
weniger als 0ºF (-17,8 ºC) durch Wärmeaustausch mit kalter Luft,
die aus dem abgeschlossenen Raum abgezogen wird,
Expandieren des abgekühlten Druckluftstroms auf
Tieftemperatur und einen Druck etwas oberhalb von Atmosphärendruck,
Einführen des Luf tstroms bei Tieftemperatur in den
algeschlossenen Raum, und
Entfernen der Luft aus dem abgeschlossenen Raum, nachdem
die Luft durch Kontakt mit den Gegenständen und Abkühlen
dieser oder Abkühlen des abgeschlossenen Raums erwärmt
worden ist, wobei die abgezogene Luft nach dem Abkühlen des
Druckluftstroms sterilisiert und für die Regenerierung der
Anlage verwendet wird, die dem Schritt zur Entfernung von
Feuchtigkeit und gasförmiger Verunreinigung dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die abgezogene Luft vor
dem Wärmeaustausch mit dem Druckluftstrom der Entfernung
von Eis und Partikeln unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der abgekühlte Druckluft-
strom vor der Expansion einem Schritt zum Entfernen von
Partikeln unterzogen wird.
4. System zum Abkühlen von Gegenständen auf Temperaturen unter
-100ºF (-73ºC), das in Kombination umfaßt:
eine isolierte Einrichtung zur Aufnahme der
abzukühlenden Gegenstände und einer Umgebung, die aus Luft besteht,
die auf weniger als -100ºF (-73ºC) abgekühlt worden ist,
eine Einrichtung zur Erstellung eines filtrierten
Luftstroms mit Umgebungsdruck und -temperatur,
eine Einrichtung zum Komprimieren des filtrierten
Luftstroms auf erhöhte Temperatur und erhöhten Druck,
eine Einrichtung zum Kühlen des komprimierten Luftstroms
auf nahezu Umgebungstemperatur ohne Druckverlust,
eine Einrichtung zum Entfernen von Feuchtigkeit,
gasförmigen Verunreinigungen und partikelförmigen Materialien vom
Druckluftstrom bei minimalem Druckverlust,
eine Einrichtung zum Abkühlen des Druckluftstroms auf eine
Temperatur unter 0ºF (-17,8ºC),
eine Einrichtung zum Filtern von Partikeln aus dem
algekühlten Druckluftstrom,
eine Einrichtung zum Expandieren der abgekühlten Druckluft
stroms auf eine Temperatur unter -100ºF (-73ºC) und einen
Druck etwas über dem der Umgebung,
eine Einrichtung zum Einführen des expandierten Luftstroms
in die isolierte Einrichtung,
eine Einrichtung zur Entfernung der kalten Luft aus der
isolierten Einrichtung ohne Rezirkulation in das System
nach dem Kontakt und dem Abkühlen der Gegenstände, und
eine Einrichtung zum Sterilisieren der aus der isolierten
Einrichtung entfernten Luft nach dem Wärmeaustausch, damit
der komprimierte Luftstrom abgekühlt wird, und eine
Einrichtung für die Verwendung dieser Luft bei erhöhter
Temperatur zur Regenerierung der Einrichtung zur Entfernung von
Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen aus dem
Druckluftstrom.
5. System nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Kühlen
des Druckluftstroms einen Wärmeaustauscher und eine
Einrichtung umfaßt, damit die kalte Luft aus der isolierten
Einrichtung zur Verwendung in dem Wärmeaustauscher zum
Abkühlen des Druckluftstroms entfernt wird.
6. System nach Anspruch 5, das eine Einrichtung zum Entfernen
von Eisteilchen aus der Luft, die der isolierten
Einrichtung entnommen wurde, vor der Einführung der Luft in den
Wärmeaustauscher umfaßt.
7. System nach Anspruch 4, wobei der isolierte Raum eine
Gefriervorrichtung vom Spiral-, Aufprall- oder Tunneltyp ist.
8. System nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum
Komprimieren des Stroms ein mehrstufiger Kompressor mit einem
internen Zahnradantrieb ist, damit der Verdampfer aktiviert
wird.
9. System nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Entfernen
von Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen aus dem
Druckluftstrom eine Adsorptionsanlage mit Druckwechsel
ist, die einen Partikelabscheider zum Entfernen von
Partikeln aus dem Druckluftstrom nach der Entfernung von
Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen umfaßt.
10. System nach Anspruch 4, das ein Gebläse umfaßt, damit die
Luft mit erhöhter Temperatur durch die Einrichtung zum
Entfernen von Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen
aus dem Druckluftstrom geschickt wird.
11. System nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum
Komprimieren des Luftstroms einen ölfreien Kompressor umfaßt.
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