DE69402892T2 - Gefrierverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Gefrierverfahren und -vorrichtung

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren des Einfrierens.
  • In herkömmlichen Gefriertunnels wird Flüssigstickstoff durch eine Vielzahl von Sprühdüsen in den Gefriertunnel hineingelassen. Der Strom von Flüssigstickstoff zu den Sprühdüsen wird kontinuierlich mit Hilfe eines Stromventils in Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen einem Punkt in dem Gefriertunnel und einer gesetzten Temperatur, variiert. In einer typischen Ausführungsform wird der Strom durch jede Sprühdüse nach anfänglichem Herunterkühlen zwischen 0 l/s und 1,4 x 10&supmin;² l/s variiert, was einem Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüsen (d.h. stromabwärts des Stromventils) von 0 bis 1 bar (Manometer) entspricht.
  • Wir haben entdeckt, daß sich der Wärmeübergangskoeffizient für eine jegliche Sprühdüse mit dem Strom durch die Sprühdüse verändert und daß in vielen Fällen der Wärmeübergangskoeffizient über einem sehr engen Bereich des Stromes besonders hoch ist. Da der Strom von dem Druck, der stromaufwärts der Sprühdüse angelegt wird, abhängt, folgt daher, daß sich der Wärmeübergangskoeffizient für eine jegliche Sprühdüse mit dem Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse verändert. Außerdem haben wir entdeckt, daß sich die Effektivität einer jeglichen Sprühdüse auch mit dem Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse verändert.
  • Im Allgemeinen wird ein Produkt schneller gefroren sein, je größer der Wärmeübergangskoeffizient ist. Ähnlich wird der Anteil der verfügbaren Kühlung, der auf das einzufrierende Produkt angewandt wird, größer sein, je größer die Effektivität ist.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Konzept, daß man besser kühlen sollte, indem man den Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse im wesentlichen konstant hält, während sie in Benutzung ist, und sie nach Bedarf an- und ausschaltet, als unbegrenzt die Durchflußgeschwindigkeit durch die Sprühdüse und damit den Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse zu variieren (wie in US-A-4,350,027 offenbart).
  • Um dieses Verfahren auszuführen, liefert ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gefriervorrichtung, die mindestens eine Reihe von Sprühdüsen umfaßt, die jeweils mindestens eine Sprühdüse, die mit einer Kühlmittelquelle verbunden werden kann, ein Ein/Aus-Ventil zum Erlauben oder Verhindern des Zustromes des Kühlmittels von der Quelle zu der Reihe und eine Einrichtung zum Betätigen des An/Aus- Ventils in Reaktion auf den Kältebedarf in der Vorrichtung umfaßt.
  • Das An/Aus-Ventil ist vorzugsweise ein magnetgesteuertes Ventil.
  • Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung mindestens eine erste, zweite und dritte Reihe von Sprühdüsen.
  • Vorzugsweise können die erste und die zweite Reihe von Sprühdüsen im wesentlichen gleiche Volumina an Kühlmittel zuführen und die dritte Reihe kann ein Kühlmittelvolumen zuführen, das im wesentlichen gleich der Summe der Kühlmittelzuströme von der ersten und der zweiten Reihe von Sprühdüsen ist.
  • Vorteilhafterweise umfaßt die Einrichtung zum Betätigen des Ein/Aus-Ventils in Reaktion auf den Kältebedarf in der Vorrichtung einen Computer.
  • Vorzugsweise kann der Computer jede der Sprühdüsen unabhängig voneinander steuern.
  • Vorteilhafterweise ist der Computer so angeordnet, daß er die Sprühdüsen in Abhängigkeit von dem zu gefrierenden Produkt steuern kann.
  • Vorzugsweise umfaßt wenigstens eine der Sprühdüsen eine Öffnung und eine Wirbeleinrichtung stromaufwärts der Öffnung.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Gefrierverfahren, das eine Gefriervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Verbinden von mindestens eine Reihe von Sprühdüsen, die jeweils wenigstens eine Sprühdüse umfaßt, mit einer Kühlmittelquelle, so daß mindestens eine Sprühdüse bei einem im wesentlichen konstantem Druck arbeitet sowie selektives Verbinden der Reihe mit der Quelle in Abhängigkeit vom Kältebedarf.
  • Typischerweise wird jede Reihe wenigstens drei Sprühdüsen umfassen, obwohl sie möglicherweise auch nur eine einzige Sprühdüse umfassen könnte.
  • Im einfachsten Fall kann die Kühlung erreicht werden, indem eine einzige Reihe von Sprühdüsen, die nur eine Sprühdüse umfaßt, verwandt wird. In dieser Ausführungsform wird zu Beginn jedes Kühlvorganges (wenn die Differenz zwischen der erforderlichen Temperatur und der tatsächlichen Temperatur maximal ist) die Sprühdüse in dauernde Verbindung mit der Quelle des Kühlmittels (typischerweise Flüssigstickstoff) gebracht.
  • Wenn einmal die erforderliche Temperatur erreicht ist, wird die Sprühdüse von der Kühlmittelquelle getrennt, indem z.B. ein Magnetventil geschlossen wird. Wenn die Temperatur sich erhöht, wird das Magnetventil betätigt, um das Kühlmittel bei dem Druck, der in der Quelle herrscht, in die Sprühdüse fließen zu lassen, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil wieder geschlossen. In einer typischen Situation eines geringen Kältebedarfs kann das Magnetventil für 5 Sekunden alle 30 Sekunden einen Strom von Flüssigstickstoff in die Sprühdüse zulassen, während das Magnetventil bei normalem Kältebedarf für 15 Sekunden alle 20 Sekunden einen Strom von Flüssigstickstoff in die Sprühdüse zulassen kann.
  • In einer eher normalen Situation wird der Gefriertunnel mit wenigstens drei Reihen von Sprühdüsen versehen sein.
  • In einer Ausführungsform mit drei Reihen von Sprühdüsen sind die erste und die zweite Reihe von Sprühdüsen vorzugsweise so ausgelegt, daß sie den gleichen Kühlmittelstrom und die dritte Reihe einen Strom entsprechend der Summe des ersten und zweiten Stromes übermitteln können. Dies kann erreicht werden, indem die dritte Reihe doppelt so viele Sprühdüsen hat oder indem größere Sprühdüsen verwandt werden.
  • Während des anfänglichen Herunterkühlens sind alle drei Reihen mit der Kühlmittelquelle verbunden. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, werden die Reihen in Abhängigkeit vom Kältebedarf mit der Kühlmittelquelle verbunden. Bei geringem Kältebedarf öffnet und schließt der Magnet nur, um Flüssigstickstoff in die erste Reihe hineinzulassen. Wenn der Kältebedarf größer wird, wird die zweite Reihe die ganze Zeit geöffnet und der Magnet, verbunden mit der ersten Reihe, wird geöffnet und geschlossen, um zusätzliche Kühlung zu schaffen, bis der Kältebedarf die Summe der Kapazität der ersten und zweiten Reihe übersteigt. An diesem Punkt wird die dritte Reihe mit der Kühlmittelquelle verbunden, die zweite Reihe wird ausgeschaltet und der Magnet, verbunden mit der ersten Reihe, wird geöffnet und geschlossen, um jeden zusätzlichen Kältebedarf zu versorgen. Wenn der Kältebedarf weiter steigt, wird die zweite Reihe erneut mit der Kühlmittelquelle verbunden und der Magnet, verbunden mit der ersten Reihe, öffnet und schließt, um jeden zusätzlichen Kältebedarf bis zu der vollen Kühlkapazität der Gefriereinrichtung zu versorgen.
  • Es wird geschätzt werden, daß die zweite und dritte Reihe generell für relativ lange Zeiten an- oder ausgeschaltet sind, während die Sprühdüsen, verbunden mit der ersten Reihe, typischerweise mehrfach pro Minute an- und ausgeschaltet werden, um das System zu trimmen.
  • In einem System mit vier oder mehr Reihen von Sprühdüsen kann jede Reihe so ausgelegt sein, daß sie im wesentlichen gleiche Ströme erzeugen kann.
  • Durchgeführte Tests zeigen, daß Sprühdüsen, die eine Öffnung und eine Wirbeleinrichtung stromaufwärts der Öffnung enthalten, gegenüber gewöhnlichen Sprühdüsen ohne Wirbeleinrichtung bevorzugt sein können.
  • Der Betrieb bei einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten bedeutet, daß das Produkt schnell gekühlt wird, während der Betrieb bei einer hohen Effektivität bedeutet, daß ein großer Teil der Kühlung, verfügbar in dem Kühlmittel, auf das Produkt transferiert wird.
  • Wenn das Kriterium vorzugsweise schnelle Kühlung ist, entspricht der im wesentlichen konstante Druck dem Druck, bei dem die Sprühdüse wenigstens 50%, vorzugsweise 75% und vorteilhafterweise 90% seines maximalen Wärmeübergangskoeffizienten erzeugt.
  • Wenn alternativ eine hohe Effektivität erforderlich ist, kann der im wesentlichen konstante Druck dem Druck entsprechen, bei dem sich die Sprühdüse im wesentlichen bei der höchsten Effektivität befindet.
  • Es ist vorstellbar, daß bestimmte Sprühdüsen bei demselben Druck, an dem sie den höchsten Wärmeübergangskoeffizienten erzeugen, sich auch bei ihrer höchsten Effektivität befinden. Dennoch scheint es gegenwärtig so, daß diese Optima bei leicht unterschiedlichen Drücken auftreten. Damit die Leistung allgemein gut ist, wird geraten, daß der konstante Druck einem Druck zwischen dem, bei dem die Sprühdüse bei ihrer höchsten Effektivität ist und dem, bei dem sie ihren maximalen Wärmeübergangskoeffizienten liefert, entspricht.
  • Vorteilhafterweise enthalten die Sprühdüsen eine Öffnung und eine Wirbelvorrichtung stromaufwärts der Öffnung.
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, in denen
  • Figur 1 eine Graphik ist, die den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem die Sprühdüse verlassenden flüssigen Stickstoff und einer Oberfläche, dargestellt als Funktion des Drucks, unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse, zeigt;
  • Figur 2 eine Graphik ist, die den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem mehrere verschiedene Sprühdüsen verlassenden flüssigen Stickstoff und einer Oberfläche, dargestellt als Funktion des Drucks unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse, zeigt;
  • Figur 3 ein vereinfachter Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
  • Figur 4 eine Graphik ist, die die "Effektivität" der Sprühdüsen aus Figur 2 als Funktion des Drucks unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse zeigt;
  • Figur 5 eine Graphik ist, die die Effektivität und den Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken für die einzelnen Sprühdüsen aus Figur 2 miteinander vergleicht und
  • Figur 6, 7 und 8 vereinfachte Schnittansichten bevorzugter Sprühdüsen sind.
  • Bezugnehmend auf Figur 1 der Zeichnungen wurde der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Flüssigstickstoff beim Austritt aus der Sprühdüse und einer Materialplatte unterhalb der Sprühdüse gemessen und wurde ausgedruckt als Funktion des Drucks des Flüssigstickstoffs unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse. Die Sprühdüse war eine herkömmliche ACM 10, hergestellt von Delavan Limited of Widnes, Cheshire, UK, und verwendet in einigen konventionellen Gefriertunnels von Anmelders.
  • Man sieht, daß der Wärmeübergangskoeffizient marginal steigt, während der Druck von 0,5 auf 0,9 bar (Manometer) ansteigt. Dann steigt er schneller bis auf 1,4 bar (Manometer).
  • Während der Druck auf 2 bar (Manometer) erhöht wird, erhöht sich der Wärmeübergangskoeffizient sehr rasch und fällt dann genauso rasch ab, während der Druck sich von 2 auf 2,3 bar (Manometer) erhöht.
  • Tests wurden durchgeführt mit einer Vielzahl von Sprühdüsen und jede hat ihre eigenen Charakteristika. Die Resultate dieser Tests zeigt Figur 2.
  • Alle getesteten Sprühdüsen sind kommerziell erhältlich bei Delavan Limited und sind mit ihrer gegenwärtigen Katalognummer bezeichnet.
  • Es ergibt sich, daß ein hoher Wärmeübergangskoeffizient einer hohen Kühlrate entspricht.
  • Gemäß dem Stand der Technik wurde die Temperatur durch kontinuierliches Variieren der Einstellung eines Ventils zwischen einer Flüssigstickstoffquelle und einer Sprühdüse gesteuert. Typischerweise war dabei nach anfänglichem Herunterkühlen der Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse weniger als 1 bar (Manometer) . Wie Figur 1 entnommen werden kann, war die Wärmeübertragungsrate extrem niedrig.
  • Bezugnehmend auf Figur 3: Dort ist ein Gefriertunnel gezeigt, der generell mit Referenznummer 1 gekennzeichnet ist.
  • Der Gefriertunnel 1 umfaßt ein Förderband 2, das Hamburger 3 durch den Tunnel 4 in Richtung des Pfeils A trägt.
  • Während die Hamburger 3 den Tunnel 4 passieren, werden sie im Gegenstromwärmeaustausch mit kaltem Stickstoff, der aus der ersten, zweiten und dritten Reihe 5, 6 und 7 von Sprühdüsen ausströmt, gekühlt.
  • Der Wärmeaustausch zwischen dem kalten Stickstoff und den Hamburgern 3 wird verstärkt durch turbulenzerzeugende Ventilatoren 8, 9, und der Stickstoffdampf wird mit Hilfe eines Abzugsventilators 11 durch das Abzugsrohr 10 herausgesaugt.
  • Die erste und zweite Reihe 5 und 6 von Sprühdüsen umfaßt jeweils drei Sprühdüsen, während die dritte Reihe 7 sechs Sprühdüsen, angeordnet in zwei Reihen 12, 13, umfaßt. Die Sprühdüsen sind alle im wesentlichen identisch.
  • Die erste, zweite und dritte Reihe 5, 6 und 7 von Sprühdüsen sind mit einer Flüssigstickstoffquelle 14 verbunden, die bei einem im wesentlichen konstanten Druck von 2,2 bar (Manometer) gehalten wird.
  • Ein Magnetventil 15 ist zwischen der Flüssigstickstoffquelle 14 und der ersten Reihe 5 von Sprühdüsen angeordnet, während die Magnetventile 16 und 17 zwischen der Flüssigstickstoffquelle 14 und der zweiten bzw. dritten Reihe 6, 7 von Sprühdüsen angeordnet sind.
  • Die Magnetventile 15, 16 und 17 sind jeweils An/Aus- Ventile, die mit Hilfe einer Feder zur geschlossenen Position eingestellt sind, die aber vollständig geöffnet werden können, indem der entsprechende Magnet betätigt wird.
  • Die Magnetventile 15, 16 und 17 werden in Reaktion auf den Unterschied zwischen einem gesetzten Signal 19 und einem Signal 20, das von einem Temperatursensor 21, angeordnet in dem Gefriertunnel 1, empfangen wird, mit Hilfe eines Reglers 18 reguliert.
  • Zu Beginn jeder Gefrieroperation wird der Gefriertunnel 1 zunächst vorgekühlt. Insbesondere wird das Signal 20 des Temperatursensors 21 mit dem gesetzten Signal 19 verglichen. Anfänglich ist die Differenz zwischen den beiden Signalen 19 und 20 relativ groß und der Regler öffnet die Magnetventile 15, 16 und 17, um eine Verbindung zwischen der ersten, zweiten und dritten Reihe 5, 6 und 7 von Sprühdüsen mit der Flüssigstickstoffquelle 14 zu ermöglichen.
  • Die Sprühdüsen, die in der ersten, zweiten und dritten Reihe 5, 6 und 7 benutzt werden, sind die gleichen wie die bezüglich Figur 1 beschriebenen Sprühdüsen. Da die Flüssigstickstoffquelle 14 bei 2,2 bar (Manometer) ist, operieren die Sprühdüsen alle bei oder nahe an der maximalen Wärmeübertragungseffizienz, d.h. mit einem Druck stromaufwärts der Sprühdüsen von im wesentlichen 2 bar (Manometer) , was einen Druckabfall zwischen der Quelle 14 und dem Bereich unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüsen zuläßt.
  • Wenn die Temperatur beim Temperatursensor 21 abfällt, sinkt die Differenz zwischen den Signalen 19 und 20, bis diese gleich sind, woraufhin der Regler 18 die Magnetventile 15, 16 und 17 schließt.
  • Wenn die Temperatur steigt, steigt auch die Differenz zwischen dem Signal 20 und dem Signal 19, bis bei einer vorgegebenen Differenz (5ºC beim Temperatursensor 21 repräsentierend) das Magnetventil 15 sich öffnet, um zuzulassen, daß die Sprühdüsen der ersten Reihe 5 Flüssigstickstoff aus der Quelle 14 versprühen. Wenn das Signal 20 gleich dem gesetzten Punkt 19 wird, wird das Magnetventil 15 geschlossen.
  • Wenn schließlich der Gefriertunnel 1 vorgekühlt ist, werden Hamburger auf einem Förderband 2 durch den Tunnel 4 befördert. Sobald die Hamburger in den Tunnel eintreten und diesen passieren, schaffen sie einen Kältebedarf, was darin resultiert, daß sich die Temperatur an dem Temperatursensor 21 erhöht.
  • Während der Kältebedarf sich erhöht, erhöht sich auch die Dauer, während der das Magnetventil 15 geöffnet bleibt. Wenn das Magnetventil 15 kontinuierlich geöffnet ist, wird das Magnetventil 16 geöffnet. Wenn der Kältebedarf nur marginal größer ist als von der ersten Reihe 5 von Sprühdüsen bewältigt werden kann, wird das Magnetventil 16 nur intermittierend geöffnet und geschlossen, um den kleinen Betrag zusätzlicher Kühlung, der benötigt wird, zu schaffen.
  • Während der Kältebedarf steigt, bleibt das Magnetventil 16 offen, und das Magnetventil 15 bleibt für eine längere Zeit offen. Wenn das Magnetventil 15 kontinuierlich geöffnet ist, wird Magnetventil 17 geöffnet und Magnetventil 16 geschlossen. Zu dieser Zeit bleibt Magnetventil 17 kontinuierlich geöffnet und jeder überschüssige Kältebedarf wird behandelt durch Öffnen und Schließen von Magnetventil 15.
  • Wenn die Zufuhr von Hamburgern die Auslegungskapazität des Gefriertunnels 1 erreicht, wird Magnetventil 16 geöffnet und Kühlung wird durch einen kontinuierlichen Strom von der zweiten und dritten Reihe 6, 7 von Sprühdüsen zusammen mit einem intermittierten Strom von der ersten Reihe 5 geschaffen. Diese Situation wird in Figur 3 gezeigt.
  • Es ergibt sich, daß zu jeder Zeit jede Sprühdüse, die in Gebrauch ist, bei einem konstanten Druck, der im wesentlichen dem Druck, der einen optimalen Wärmeübergangskoeffizienten für die Sprühdüsen ergibt, entspricht, mit Flüssigstickstoff versorgt wird.
  • Die Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, sind sehr signifikant. Insbesondere tritt Kühlung immer schnell ein. In diesem Zusammenhang sollte verstanden werden, daß der Kältebedarf, der Gefriertunnels zugeleitet wird, selten konstant ist. Insbesondere ist die Zufuhr von Nahrungsmitteln zu einem Förderband selten einheitlich und der gleiche Gefriertunnel kann für das Gefrieren einer Vielzahl von Produkten, die völlig unterschiedlich voneinander sein können, benutzt werden.
  • Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform sind vorstellbar; so kann z.B. jede Anzahl von Reihen von Sprühdüsen verwandt werden und jede Reihe kann eine oder mehr Sprühdüsen umfassen. Die Anzahl von Sprühdüsen in jeder Reihe kann unterschiedlich sein ebenso wie die Größe der Sprühdüsen, obwohl der Druck, bei dem optimaler Wärmetransfer erreicht wird, im wesentlichen für alle Sprühdüsen in irgendeiner Reihe gleich sein sollte.
  • Obwohl es nicht empfehlenswert ist, kann jede Reihe Sprühdüsen mit einem gemeinsamen optimalen Betriebsdruck haben, der vom optimalen Betriebsdruck der Sprühdüsen in einer anderen Reihe abweicht. In diesem Fall wäre jede Reihe mit ihrer eigenen Flüssigstickstoffquelle bei dem für ihre Sprühdüsen angemessenen Druck verbunden.
  • Während es vorzuziehen ist, Magnetventile zu verwenden, können die Ventile auch jede andere Form von An/Aus- Ventilen umfassen. Während die Ventile 16 und 17 mit einem relativ gemächlichen Tempo auslösbar sind, sollte Magnetventil 15 schnell öffnen und schließen können. Wenn benötigt, können die Ventile 15, 16 und 17 pneumatisch oder hydraulisch gesteuert werden.
  • Tests von einigen kommerziell erhältlichen Sprühdüsen zeigen, daß optimaler Wärmetransfer bei einem Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüsen von 2 bis 4 bar (Manometer) auftritt.
  • Während es wünschenswert ist, sicherzustellen, daß der Druck unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüsen bei seinem Optimum ist, ergibt es sich, daß beachtliche Verbesserungen in der Kühlrate im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden können, indem nahe dem Optimum gearbeitet wird und - wie klar aus Figur 1 ersichtlich - sehr zufriedenstellende Resultate immer noch erhalten werden können, wenn der Druck stromaufwärts der Sprühdüsen demjenigen von nur 50 % des Maximums des Wärmeübergangskoeffizienten entspricht. Wir würden dennoch empfehlen, den Druck der Quelle so zu halten, daß wenigstens 75 %, vorteilhafterweise wenigstens 90 % des maximalen Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden.
  • In einer besonders hochentwickelten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Sprühdüsen, z.B. 30 Sprühdüsen, in einem Gefriertunnel angebracht. Jede Sprühdüse ist mit einer Flüssigstickstoffquelle verbunden, die bei einem im wesentlichen konstanten Druck, der im wesentlichen dem optimalen Betriebsdruck der Sprühdüse entspricht, gehalten wird. Jede Sprühdüse kann mittels ihres eigenen Magnetventils, das von einem Computer gesteuert wird, betätigt werden.
  • Der Computer ist so programmiert, daß er die Magnetventile in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Gesamtkühlung und vorzugsweise in Abhängigkeit von dem einzufrierenden Produkt betätigt.
  • Insbesondere wird der Computer eine einzige Reihe von Sprühdüsen, die alle Sprühdüsen in dem Gefriertunnel umfaßt, aktivieren, wenn der Gefriertunnel anfänglich gekühlt wird.
  • Wenn einmal die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird der Computer alle Sprühdüsen ausschalten, mit Ausnahme einer oder zweier Sprühdüsen, um Wärmelecks zu kompensieren.
  • Nahrungsmittel werden dann in den Gefriertunnel befördert, und der Computer aktiviert die Sprühdüsen entsprechend dem Abkühlungserfordernis und dem Produkt.
  • Man wird sich daran erinnern, daß viele Gefriertunnels gebraucht werden, um eine Vielzahl von Produkten einzufrieren. An einem Tag können sie gebraucht werden, um Hamburger, an einem anderen Tag, um Gänse, Hähnchen oder sogar Truthähne einzufrieren.
  • Um das Verständnis zu erleichtern, soll angenommen werden, daß ein Gefriertunnel verwandt wird, um Truthähne einzufrieren. Typischerweise werden die Truthähne in die Mitte des Förderbandes 2 einer hinter dem anderen plaziert. In solch einer Ausführungsform aktiviert der Computer die Sprühdüsen, die sich entlang der Mittellinie des Gefriertunnels und zu beiden Seiten davon befinden, wobei die Anzahl der betätigten Sprühdüsen von den Gefrieranforderungen abhängt. Jedenfalls werden die Sprühdüsen, die an die Seitenwände des Gefriertunnels angrenzen, nicht aktiviert. Im Gegensatz dazu wird der Computer sobald und wenn es benötigt wird alle Magnetventile entlang der Breite des Gefriertunnels öffnen, wenn das einzufrierende Produkt von im wesentlichen gleichförmiger Dicke ist und im wesentlichen gleichförmig über das Förderband verteilt ist, wie z.B. Hamburger.
  • Es wird erwartet, daß es eine optimale Kombination von Sprühventilen gibt, die geöffnet werden sollten, um ein gegebenes Produkt mit einer gegebenen Gefrieranforderung zu versorgen und daß diese in praktischen Experimenten für jedes Produkt bestimmt werden muß.
  • Generell gilt: Je größer der Wärmeübergangskoeffizient, desto schneller wird ein Produkt eingefroren und desto kürzer kann der benötigte Gefriertunnel sein.
  • Wenden wir uns nun Figur 4 zu: Dort ist ein Graph der "Effektivität" der vorhergehenden Sprühdüsen, ausgedruckt als Funktion des Drucks unmittelbar stromaufwärts der Sprühdüse, gezeigt. Die "Effektivität" ist ein Maß der Kühlung eines gegebenen Produktes bei einer gegebenen Menge an Kühlmittel. Eine geringe Effektivität ist kennzeichnend für einen ineffizienten Prozeß, während eine hohe Effektivität einen effektiven Prozeß kennzeichnet, in dem eine beträchtliche Menge der im Flüssigstickstoff enhaltenen Kälte verwandt wird, um das Produkt zu kühlen.
  • Es ist beachtenswert, daß es gravierende Unterschiede zwischen den Sprühdüsen gab. So war die Sprühdüse WM 4008 die ineffizienteste der getesteten Sprühdüsen bei 1,7 bar g, aber die effektivste bei etwa 2,5 bar g. Im Gegensatz dazu zeigte die Sprühdüse BI 11 annehmbare Effektivität über ihren gesamten getesteten Bereich von 1,7 bis etwa 3 bar g. Wünschenswerterweise sollten die Gefriertunnel so gestaltet sein, daß sie das am meisten akzeptable Gleichgewicht zwischen hohem Wärmeübergangskoeffizienten (geringe Kapitalkosten) und hoher Effektivität (geringe Betriebskosten) anbieten. Zusätzlich müssen die Gefriertunnel steuerbar sein, insoweit als kleinere Unterschiede im Vorratsdruck keine drastischen Unterschiede beim Betrieb der Gefriertunnel ausmachen dürfen. Insgesamt - wie in Figur 5 zu sehen - bietet Sprühdüse BI 11 bei 2,5 bar g einen guten Kompromiß. Eine Erhöhung des Drucks auf 2,8 bar g wird die Kühlrate signifikant, etwas auf Kosten der Effektivität, erhöhen, während eine leichte Reduzierung des Drucks auf 2,4 bar g die Gefrierrate bei erhöhter Effektivität reduzieren wird.
  • Die Sprühdüsen BI 11, WM 4008 und BJ7 zeigten signifikant verbesserte Gesamtleistung gegenüber den Sprühdüsen AN10 und AC10. Bei einer näheren Untersuchung wurde herausgefunden, daß während alle getesteten Sprühdüsen eine Öffnung enthielten, die drei bevorzugten Sprühdüsen stromaufwärts der Öffnung eine Wirbelkammer enthielten. Jede Wirbelkammer enthielt ein unterschiedliches Design einer Wirbeleinrichtung, um dem Kühlmittel, bevor es die Öffnung passiert, eine rotierende Bewegung zu verleihen.
  • Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen vereinfachte Schnittansichten der Sprühdüsen BI 11, WM 4008 bzw. BJ7, in denen die entsprechenden Wirbeleinrichtungen mit dem Buchstaben "S" gekennzeichnet wurden.

Claims (15)

1. Gefriervorrichtung, die mindestens eine Reihe (5,6,7) von Sprühdüsen umfaßt, die jeweils mindestens eine Sprühdüse, die mit einer Kühlmittelquelle verbunden werden kann, ein Ein/Aus-Ventil (15,16,17) zum Erlauben oder Verhindern des Zustromes des Kühlmittels von der Quelle zu der Reihe und eine Einrichtung zum Betätigen des An/Aus-Ventils (15,16,17) in Reaktion auf den Kältebedarf in der Vorrichtung zu betätigen, umfaßt.
2. Gefriervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das An/Aus- Ventil ein magnetisch gesteuertes Ventil (15,16,17) ist.
3. Gefriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine erste (5), zweite (6) und dritte (7) Reihe von Sprühdüsen einschließt.
4. Gefriervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste (5) und die zweite (6) Reihe von Sprühdüsen dazu geeignet sind, im wesentlichen gleiche Volumina von Kühlmitteln zuzuführen und die dritte Reihe (7) geeignet ist, ein Volumen an Kühlmittel, das im wesentlichen gleich der Summe der Kühlmittelströme von der ersten (5) und zweiten (6) Reihe von Sprühdüsen ist, zuzuführen.
5. Gefriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei die Einrichtung für die Betätigung des An/Aus-Ventils in Reaktion auf den Kältebedarf in der Vorrichtung einen Computer (18) umfaßt.
6. Gefriervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Computer (18) jede der Sprühdüsen unabhängig voneinander steuern kann.
7. Gefriervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Computer (18) angeordnet ist, um die Sprühdüsen als Funktion des einzufrierenden Produkts zu steuern.
8. Gefriervorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens eine der Sprühdüsen eine Öffnung und eine Wirbeleinrichtung (5) stromaufwärts der Öffnung umfaßt.
9. Gefrierverfahren unter Verwendung einer Gefriervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Verbinden von mindestens eine Reihe von Sprühdüsen, die jeweils wenigstens eine Sprühdüse umfaßt, mit einer Kühlmittelquelle, so daß mindestens eine Sprühdüse bei einem im wesentlichen konstantem Druck arbeitet sowie selektives Verbinden der Reihe (5, 6, 7) mit der Quelle in Abhängigkeit vom Kältebedarf
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der im wesentlichen konstante Druck einem Druck entspricht, bei dem die Sprühdüse wenigstens 50 % ihres maximalen Wärmeübergangskoeffizienten liefert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der im wesentlichen konstante Druck einem Druck entspricht, bei dem die Sprühdüse wenigstens 75 % ihres maximalen Wärmeübergangskoeffizienten liefert.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der im wesentlichen konstante Druck dem Druck entspricht, bei dem die Sprühdüse wenigstens 90 % ihres maximalen Wärmeübergangskoeffizienten liefert.
13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der im wesentlichen konstante Druck dem Druck entspricht, bei dem die Sprühdüse im wesentlichen ihre höchste Effektivität hat.
14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der im wesentlichen konstante Druck einem Druck zwischen dem Druck, bei dem die Sprühdüse ihre höchste Effektivität hat und dem Druck, bei dem sie ihren maximalen Wärmeübergangskoeffizienten liefert, entspricht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Sprühdüse eine Öffnung und eine Wirbeleinrichtung (s) stromaufwärts von der Öffnung umschließt.
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