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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich generell auf Temperatursteuerung und Luftstrom-Steuerausrüstung und
richtet sich insbesondere auf die Konstruktion eines Raums und auf
das Design eines Kühlsystems
für die
Reifung verderblicher Produkte wie Früchte und Gemüse. Die
Erfindung ist insbesondere offenbart als Reifungsraum für Bananen,
in welchem der Luftstrom und die Temperatur genau gesteuert werden,
um ein gleichmäßiges Reifen
der Früchte
unabhängig
von dem physischen Ort der Frucht in dem Raum zu erreichen und um
die gewünschten
Resultate mit einer minimalen Menge an Energie und Kühlkapazität zu erreichen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Reifungsprozesse und Reifungsräume, die weitläufig definiert
sind als Reifungsräume,
Kammern oder LKW-Container sind allgemein bekannt und werden seit
vielen Jahren in der Früchteindustrie zum
Reifen von Früchten,
wie Bananen verwendet. Ein wichtiges Arbeitsprinzip bei der Reifungsraumkonstruktion
ist, dass Luftdruck und Luftstrom über den gesamten Luftstromkreislauf
in dem Raum gleichmäßig sein
sollten, welcher sich typischerweise von oben angeordneten Kisten
und Palletten, die Bananen enthalten, über Luftstromwege, die durch
die Bananenkisten zirkulieren, und zurück zu Ventilationsgebläsen erstreckt,
um ein gleichmäßiges Reifen aller
Bananen in dem Raum zu bewirken.
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Herkömmliche Reifungsräume sind
entweder von der Art einer „Kammer" oder eines LkW-„Containers" und umfassen typischerweise
einen Betriebsbereich und einen Kühlbereich. Bei herkömmlichen
Reifungskammern werden verderbliche Früchte, wie Bananen, auf Palletten
oder in Kisten in einer Anordnung, die als „eng gestapelt" bekannt ist, gestapelt,
in welcher zwei oder mehr Reihen von eng gestapelten Kisten, die
durch einen Korridor getrennt sind, von den Seitenwänden der
Kammer beabstandet sind, während
sie in dem Arbeitsbereich eines im wesentlichen geschlossenen Reifungsraums mit
im allgemeinen rechteckigen Wänden,
Boden und Decke angeordnet sind. Bei LKW-Containern werden die Kisten generell
als „Pyramidenstapel" gestapelt, wobei
jede Kiste in jeder Reihe von der nächsten Kiste in dieser Reihe
beabstandet ist und die Reihen auch voneinander beabstandet sind,
so dass Zwischenräume
um alle Seiten der Kisten herum vorgesehen sind. Die nächste Ebene
der Kisten in einem Pyramidenstapel wird nicht direkt über den
Kisten darunter angeordnet, sondern exzentrisch angeordnet, so dass
jede Kiste teilweise auf zwei Kisten darunter gestapelt ist, in
der Art einer typischen Pyramide.
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Bananen enthaltende Kisten haben
normalerweise Löcher,
um die Luftzirkulation um die Bananen herum zu unterstützen. Der
Reifungsraum wird generell mit Luft versorgt, die von einem Kühlsystem gekühlt wird,
um eine vorbestimmte Früchtetemperatur
beizubehalten. Die gekühlte
Luft wird durch den im wesentlichen geschlossenen Raum bei einzeln gesteuerten
Temperaturen über
eine bestimmte feste Zeitdauer zirkuliert, bis die Bananen reifen.
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Ein typischer Reifungszyklus beinhaltet wahrscheinlich
eine Gasperiode, in welcher beispielsweise Ethylengas in den Raum
eingeführt
wird und bei einer festen Solltemperatur durch den Raum zirkuliert
wird, wonach eine Periode der Luftzirkulation folgt, in welcher
Umluft (zusammen mit der Ethylenmischung) durch den Raum oder den
Container zirkuliert wird. Ein Teil des Ethylengases kann dann entfernt
werden, worauf eine relativ lange Periode folgt, in welcher Luft
durch das/die Gebläse
zirkuliert wird, während
die Solltemperatur der zugeführten Luft
in einzelnen Schritten von einer thermostatischen Steuereinrichtung
reduziert wird. Die thermostatischen Steuereinrichtungen für herkömmliche Reifungsprogramme
sorgen typischerweise für
deutliche und plötzliche
Abfälle
der Solltemperatur zu bestimmten Zeitintervallen. Beispielsweise
kann einem herkömmlichen
Vier-Tages-Reifungszyklus die Lufttemperatur-Solltemperatur für zwei Tage
auf 18°C eingestellt
sein, dann plötzlich
auf 16,5°C
für einen Tag
abfallen und dann für
den letzten Tag plötzlich wiederum
auf 14,5°C
abfallen.
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Viele Jahre lang wurden Kühlsysteme
der Art verwendet, die einen Kompressor verwenden, um ein „Kältemittel", auch bekannt als „Kühlmittel" bereitzustellen,
welches durch ein System mit geschlossenem Kreislauf fließt. Der
Kompressor erhöht
sowohl den Druck als auch die Temperatur des dampfartigen Kältemittels
bevor das Kältemittel
in einen Kondensator geführt
wird. Wenn es durch den Kondensator gelangt, wird das dampfartige
Kältemittel
gekühlt
und zu einer Flüssigkeit
kondensiert, während
Wärme an die
Umgebung abgegeben wird, normalerweise mit Hilfe eines Gebläses. Das
flüssige
Kühlmittel
wird dann zu einem Wärmeexpansionsventil
geführt,
welches das flüssige Hochdruck-Kältemittel
in eine Serie von Spulen, im allgemeinen Verdampfer genannt, einigermaßen gesteuert
abgibt. Wenn es durch das Wärmeexpansionsventil
gelangt, ändert
sich der Zustand des flüssigen
Kältemittels
von einer Hochdruckflüssigkeit
zu einem Dampf niedrigen Druckes, während Wärmeenergie aus der Atmosphäre, die den
Verdampfer umgibt, entzogen wird. Das dampfartige Kältemittel
wird dann in den Kompressor gezogen, um die Schleife zu schließen und
den Kühlungsprozesszyklus
neu zu starten.
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Das typische herkömmliche Reifungsraum-Kühlsystem
wird in einem An/Aus-Schaltmodus
betrieben, in welchem Kühlkapazitäts-Variationen
von einem Solenoidventil gemacht werden, wodurch die Zufuhrzeit
des Kühlmittels
an den Kühler verkürzt oder
verlängert
wird. Änderungen
der Kühlanforderungen
und Umgebungstemperaturbedingungen während des Reifungsprozesses
beeinflussen die variable Kühlmittel-Verdampfungstemperatur.
Jedoch funktionieren herkömmliche
Bananen-Reifungsräume
auf der Basis einer konstanten Verdampfungstemperatur, welche auf
eine Konstante durch ein Gegendruck-Regulierungsventil in der Ansaugleitung
gesetzt sein kann, berechnet für
das maximale Kapazitätserfordernis
beim Kühlen
während der
Spitze der Fruchtrespiration. Als Folge arbeiten herkömmliche
Reifungsraum-Kühlsteuersysteme
ineffektiv.
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Der hintere Teil des Raums (d. h.
Kammer oder Container) hat einen „Kühlbereich", der von dem „Betriebsbereich" getrennt ist, welcher
das Kühlsystem
enthält,
das die Luft kühlt,
bevor sie dem Betriebsbereich des Raums zugeführt wird. Herkömmliche
Kühlsysteme
zum Reifen von Bananen bestehen generell aus einem oder mehreren
Luftkühlern
mit Gebläsen,
die an einer „zusätzlichen" Wand angeordnet
sind, die den Kühlbereich
von dem Betriebsbereich trennt, oder unter einem Dach vor einer
zusätzlichen
Wand in Richtung des hinteren Teils des Reifungsraums. Die Umluftgebläse werden
bei herkömmlichen
Reifungssystemen oft hinter dem Kühler angeordnet. Bei einem
Beispiel eines herkömmlichen Reifungsraums
ist die zusätzliche
Wand, die den Kühlbereich
von dem Betriebsbereich abtrennt, ein „aufgewickelter Rolladen", der eine Plane
aufweist, die auf eine und von einer Stange auf- bzw. abgerollt wird
wie eine Fensterabdeckung und die den Raum in der Kammer in Bereiche
mit hohem Druck und niedrigem Druck trennt.
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Bei herkömmlichen Reifungsräumen, bei welchen
eine eng gestapelte Konfiguration verwendet wird, führt ein
typischer Luftstrom-Kreislaufweg Luft in einen Betriebsbereich über die
Oberseiten der Kisten (welche teilweise oder vollständig oben
durch eine Plane abgedeckt sein können), nach unten entlang der
Zwischenräume
zwischen den Seiten des Raums und der Bananenkisten, durch die Löcher der Seiten
der Bananenkisten, und in den Korridor zwischen den zwei Reihen
von eng gestapelten Kisten. Der Luftstromkreislauf führt dann
die Luft zu einem Kühlbereich
hinten in dem Raum hinter der zusätzlichen Wand zurück, wo die
Luft durch einen Kühler/Verdampfer
in den Kühlbereich
gelangt, über
eines oder mehrere Gebläse
zwischen dem Kühlbereich
und dem Betriebsbereich und führt
die Luft zu dem Betriebsbereich zurück, wo die Bananen gestapelt
sind. Diese Konfiguration wird manchmal als „Del Monte" Reifungsraum bezeichnet.
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Bei herkömmlichen Reifungscontainern,
die eine Pyramidenstapel-Konfiguration verwenden, ist der Container
in ähnlicher
Weise in einen Betriebsbereich, wo die Kisten gestapelt sind, und
einen Kühlbereich,
wo die Umluft gekühlt
wird, unterteilt. Bei dieser Stapelanordnung werden einige der Kisten
normalerweise gegen die Seitenwände
des Betriebsbereichs des Reifungscontainers gestellt. Ein typischer
Luftstromkreislaufweg in einer Pyramidenstapel-Konfiguration bildet
eine einzelne große
Schleife, die an dem Kühler
im Kühlbereich
hinten am Reifungscontainer beginnt, zum vorderen Teil des Containers
und dann zurück
zu dem Kühlbereich.
Im Detail liefern die Gebläse
Luft in den Betriebsbereich (und schließlich zum vorderen Teil des
Reifungscontainers), in und um die oberen Abschnitte der Kisten
durch die Zwischenräume
zwischen den Kisten und den Löchern
in den Kisten, und die Luft kehrt zum Kühlbereich über die unteren Abschnitte
der Kisten zurück.
Während der
größte Teil
der zugeführten
Luft den vorderen Teil des Reifungscontainers erreicht, gelangt
ein Teil dieser Luft an der Route vorbei und wird im wesentlichen in
die unteren Abschnitte der Kisten kurzgeschlossen. Wie bei der eng
gestapelten Konfiguration gelangt die gesamte Luft zum Kühlbereich
zurück,
gelangt dann durch den Kühler,
die Gebläse
und zurück in
den Betriebsbereich.
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Die oben beschriebenen herkömmlichen Reifungsprozesse
und -räume
haben mehrere bekannten Nachteile, die jedoch bis jetzt noch nicht
gelöst
wurden. Erstens reifen die Bananen nicht gleichmäßig und ein großer Teil
der Früchte
schrumpft beachtlich zusammen und die Früchtequalität nimmt ab, wenn sie in herkömmlich konstruierte
Reifungsräume
gegeben werden, da die Kühlluft
nicht gleichmäßig durch
die Früchte
zirkuliert. Dieser Mangel an gleichmäßigem Luftstrom hat einen ungleichmäßigen Luftdruck,
ungleichmäßiges Kühlen und
somit ungleichmäßiges Reifen
der Früchte
zur Folge. Egal, ob die Kühlluft
ursprünglich über die
Früchte
hinweg oder unterhalb der Früchte
geführt
wird, besteht dasselbe Zirkulationsproblem, insbesondere in kammerartigen
Reifungsräumen,
da ein relativ offener freier Raum die Kisten von den herkömmlich konstruierten Wänden und
der Decke des Raums trennt. Folglich wird der Luftstrom nicht gleichmäßig durch
alle Kisten verteilt.
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Anstatt sich entlang den Seiten der
Reifungsraumwände
abzusetzen, nimmt z. B. bei einer herkömmlichen eng gestapelten Konfiguration
der größte Teil
der von den/dem Gebläse(n)
hinten im Reifungsraum zugeführten
Luft den Weg des geringsten Widerstands und gelangt über die
Früchte,
bis sie die vordere vertikale Wand erreicht (an dem "entfernten" Ende des Raums von
dem Gebläse
aus), an welchem Punkt die Kühlluft
auf die Bananen, die nahe dieser vorderen Wand gestapelt sind, mit
einem Druck hinabsinkt, der größer ist
als in anderen Abschnitten des Zufuhrluftwegs. Die Luft wird dann durch
die Bananenkisten durch dasselbe/dieselben Gebläse(n) nach hinten in den Reifungsraum
gezogen. Da der höhere
Luftdruck vorne im Raum bewirkt, dass die dort vorhandenen Früchte eine
größere Menge
an Kühlluft
erhalten, bleiben diese Bananen grüner, während die Bananen in der Mitte
und hinten im Raum bei wärmeren
Temperaturen bleiben und sehr viel schneller zu einer gelben Farbe
reifen. Der Unterschied des Luftdrucks zwischen dem vorderen und
hinteren Teil des Reifungsraums ist besonders bei kurzen Reifungszyklen
bedeutend. Folglich sieht eine Person, die vorne den Raum betritt,
um die Reife der Bananen anhand der Farbe zu prüfen, die grünen Bananen und glaubt fälschlicherweise,
dass der Behälter
oder Raum unreife Bananen enthält.
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Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Kühlsystemen,
die für
die Bananenreifung verwendet werden, besteht darin, dass sie in
einem „An/Aus"-Modus betrieben
werden, in dem die Temperatur nur durch Drehen des Kühlsystems
entweder auf „vollständig" an oder „vollständig" aus gesteuert wird
und nicht die Menge oder Temperatur der Kühlluft, die in den Betriebsbereich
eingeführt
wird, auf ein Zwischenmaß eingestellt
wird. Bei solchen herkömmlichen
Kühlsystemen
wird die Ausgangs-Kühlkapazität gesteuert
z. B. durch Schalten eines Solenoidventils entweder vollständig an
oder aus, um die Zufuhrleitung des Kühlmittels in den Luftkühler zu
regulieren. Änderungen
der Fruchttemperatur während des
Reifungszyklus erfolgen durch Variieren der Solltemperatur in relativ
großen
plötzlichen
einzelnen Schritten unter der Steuerung einer Temperatursteuerung
oder eines automatischen Thermostats. Diese schrittweisen Reifungsprogramme,
die beim Stand der Technik verwendet werden, sind insofern mangelhaft
als dass sie dazu neigen, eine Dehydrierung und Unterkühlung der
Früchte
zu bewirken, insbesondere wenn die Temperatursensoren in den Kisten unter
Bananengruppen am Luftauslass angeordnet sind, so dass die Zeitverzögerung in
der Fühl-Rückkopplungsschleife
viel länger
als erforderlich ist. Ein plötzlicher
Wechsel der Solltemperatur z. B. von 18,5°C auf 16,5°C bewirkt, dass das Kühlungssystem
bei voller Kapazität
arbeitet und dass ein intensives Kühlen für lange Zeitspannen, beachtliche
Dehydrierung und eine Reduzierung der Fruchtreifungsqualität induziert
wird.
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Die Verdampfungstemperatur von Kühlsystemen
bei herkömmlichen
Reifungsräumen
variiert aufgrund der Änderungen
der Kühlerfordernisse während des
Reifungsprozesses und der Änderung der
Umgebungstemperaturbedingungen in dem geschlossenen Raum. Jedoch
werden herkömmliche Systeme
mittels thermostatischer Expansionsventile auf der Basis einer konstanten
Verdampfungstemperatur betrieben, wobei ein Gegendruck-Regulierventil verwendet
wird, welches zu dem Problem einer geringen relativen Luftfeuchtigkeit
und Fruchtdehydrierung beiträgt.
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Schließlich besteht ein weiterer
Nachteil des herkömmlichen
Reifungsraumsverfahrens und -designs darin, dass die Kühlsysteme
ineffektiv arbeiten und dadurch übermäßige Energie
verbrauchen. Wie oben erwähnt,
hat die Luftzirkulation in den herkömmlichen Räumen, die für Bananenreifungszwecke verwendet
werden, installierte Luftkühler
mit Luftgebläsen
an dem hinteren Teil des Reifungsraums an einer Wand oder unter
einem Dach vor einer Wand. Die Bananen werden im allgemeinen in
Tüten gepackt,
und die Tüten
werden in die Kisten gegeben. Sowohl die Tüten als auch die Kisten haben
Löcher, um
eine Zirkulation durch die Kisten unter den Bananentüten zu erlauben.
Die Luft wird in nur einem Grundkreislauf gekühlt, nämlich von Gebläsen aus den
Kisten im Arbeitsbereich gezogen, durch den Kühler im Kühlraum und zurück in den
Arbeitsbereich, um eine einzelne Schleife zu bilden. Folglich wird
bei der herkömmlichen
einschleifigen Konfiguration ein Kühlsystem mit exzessiver Kühlkapazität benötigt, um
das gesamte Volumen der Luft in dem gesamten Kühlzyklus zu kühlen.
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Es gibt mehrere bekannte Patente,
welche verschiedene Geräte
zum Verarbeiten von Nahrungsprodukten offenbaren, einschließlich Nahrungsmittelbehältern oder
-räumen
zum Reifen, Räuchern,
Trocknen und anderer Verarbeitung dieser Art. Diese Referenzen beinhalten:
FR-A-2138 155; GB-A-479233; GB-A-411 188; US-A-3 067 522; US-A-4
583 454; DE-A-4224016; EP-A-0 357 587 und FR-A-2 499 221. Keines
dieser obengenannten Patente offenbart die in der vorliegenden Anmeldung beanspruchte
Erfindung oder legt diese nahe.
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Es besteht Bedarf an einer verbesserten Raumkonstruktion
und einem Kühlsystem
zur Verwendung bei der Reifung von verderblichen Produkten wie Bananen,
in welchem ein Luftstrom gleichmäßig verteilt
ist, die Solltemperatur genau gesteuert wird und allmählich variiert
wird, um den Energieverbrauch zu reduzieren, wodurch sich die Qualität der gereiften
Produkte, die in dem Reifungsraum angeordnet sind, verbessert. Durch
Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die
Nachteile des Stands der Technik überwunden, während erreicht
wird, dass die Bananen in dem gesamten Reifungsraum gleichmäßig reifen,
die Bananen weniger schrumpfen und die Bananenqualität verbessert ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß besteht eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin, ein Reifungsraum-Kühlsteuersystem
bereitzustellen, welches die Eigenschaften des Kühlmittels, welches an dem Ausgang
des Verdampfers fließt,
detektieren kann und diese Informationen in Verbindung mit Informationen
verwendet, die sich auf das Produkt, die Umgebung und die Solltemperaturen
beziehen, um den Kühlmitteldruck, Temperatur,
und Abgabe an den Verdampfer zu steuern, um das System bei einer
optimalen oder beinahe optimalen Energieverbrauchsrate zu betreiben.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, eine sanfte und allmähliche Variation der Solltemperatur
während
des gesamten Reifungsprozesses bereitzustellen, während sie
auch eine sanfte Steuerung der Verdampfungstemperatur durch eine
allmähliche Änderung
des Verdampfungsdruckes bereitstellt, um minimale Temperaturunterschiede
zwischen der Frucht und der Kühlluft
beizubehalten.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum
Steuern des Betriebs eines Reifungsraums gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weiterhin verwendet die vorliegende
Erfindung weniger zwangsgekühlte
Luft während
der Reifungsperiode als herkömmliche
Systeme, die das Kühlsystem
bei hoher Nachfrage vollständig
anschalten. Die vorliegende Erfindung bietet vielmehr eine sehr
genaue Temperatursteuerung, die die Solltemperatur über den
gesamten Reifungszyklus hinweg langsam und allmählich reduziert. Folglich arbeiten die
Luftgebläse
und das Kühlsystem
mit einer höheren
Effektivität.
Bei der bevorzugten Ausführungsform,
auf die hier Bezug genommen wird, erfordert die vorliegende Erfindung
nur drei große
Gebläse
anstelle der größeren Anzahl
an Gebläsen,
die bei herkömmlichen
Designs erforderlich sind.
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Weitere Aspekte der vorliegenden
Erfindung ergeben sich für
den Fachmann aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen,
wobei eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung in einer der besten Arten zur Ausführung der Erfindung beschrieben
und gezeigt ist. Wie erkenntlich werden wird, erlaubt die Erfindung
andere unterschiedliche Ausführungsformen
und ihre mehreren Details können
in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden,
ohne die Erfindung zu verlassen. Dementsprechend werden die Zeichnungen
und Beschreibungen als veranschaulichender Natur und nicht als einschränkend betrachtet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen, die
in der Beschreibung beinhaltet sind und Teil derselben bilden, zeigen
mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit
der Beschreibung und den Ansprüchen
zur Erklärung
der Prinzipien der Erfindung. Es zeigen:
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1A eine
schaubildliche Seitenansicht einer bekannten Reifungsraumkonstruktion
im Aufriss;
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1B ein
Schaubild der Luftstromeigenschaften des bekannten Reifungsraums
von 1A;
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2A eine
schaubildliche Seitenansicht einer Ausführungsform eines Reifungsraums,
die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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2B ein
Schaubild der Luftstromeigenschaften des Reifungsraums von 2A;
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3 eine
perspektivische Ansicht von oben und hinten des Reifungsraums von 2A;
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4 eine ähnliche
perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Reifungsraums,
sehr ähnlich
zu dem von 3;
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5 eine
Draufsicht teils im Querschnitt des Reifungsraums von 2A;
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6 eine
Vorderansicht teils im Querschnitt des Reifungsraums von 2A im Aufriss;
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7 ein
schematisches Schaubild eines bekannten Kühlsystems, das bei herkömmlichen
Bananenreifungsräumen
verwendet wird;
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8 ein
schematisches Schaubild einer Ausführungsform eines Kühlsystems,
das bei dem Reifungsraum der vorliegenden Erfindung wie in 2A gezeigt, verwendet wird;
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9 ein
logisches Schaubild des Steuersystems, das verwendet wird, um die
Positionierung des Ansaugventils von 8 zu
steuern;
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10 eine
schaubildliche Ansicht eines Teils des schematischen Schaubilds
von 8;
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11 ein
Schaubild, welches die Sollwerte, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, mit denen eines typischen herkömmlichen Kühlsystems vergleicht, die beide
bei Reifungszyklen für Bananen
oder andere verderbliche Produkte verwendet werden;
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12 eine
Seitenansicht teils in Querschnitt eines Reifungscontainers im Aufriss,
der einen Kühlwandler
beinhaltet, wie gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert;
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13 eine
Querschnittsansicht des Reifungscontainers von 12 entlang der Linie 13-13;
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14 eine
Querschnittsansicht des Reifungscontainers von 12 entlang der Linie 14-14.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Im folgenden wird die vorliegende
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung im Detail beschrieben, von welcher ein Beispiel in
den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, wobei gleiche Bezugszeichen
dieselben Elemente in allen Ansichten andeuten.
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1A zeigt
die Querschnitts-Seitenansicht des Luftstrom-Verteilungsschemas
einer herkömmlichen
Reifungsraum-Konstruktion, welche wohlbekannt ist im Stand der Technik
und generell als „Del Monte" Design bezeichnet
wird. Ein großer
offener Raum 2 trennt eng gestapelte Bananenkisten 4 von der
Decke 6 des Reifungsraums 8. Der von den Gebläsen 12 induzierte
Luftstrom 10 wird nicht gleichmäßig durch alle Kisten 4 verteilt,
da der größte Teil der
Luft sich in einer horizontalen Richtung von den hinteren Gebläsen 12 bewegt
und typischerweise nicht dazu neigt, vertikal nach unten durch die
darunterliegenden Kisten 4 zu fließen, sondern eher weiterhin
horizontal entlang dem Weg des geringsten Widerstands fließt, bis
er auf einen Gegendruck von der vertikalen Fläche der Vorderwand 14 trifft.
Folglich umgeht der Hauptteil des Luftstroms 10, welcher
von den Gebläsen 12 im
hinteren Bereich 16 erzeugt wird, die hintersten Bananenkisten
und wird nach unten in die Kisten 4 hauptsächlich in
den vorderen Bereichen des Raums an Stellen gezwungen, die generell
durch Bezugszeichen 18 bezeichnet sind. Diese Konfiguration
führt zu
grüneren
Bananen in den vorderen Bereichen 18 des Raums aufgrund
der größeren Menge
an Kühlluft,
und zu reiferen, gelberen Bananen in den restlichen Bereichen 19 des
Raums, wo viel weniger Kühlluft
durch die Kisten 4 zirkuliert. Ein Kühlsystem 40 ist nahe
dem hinteren Teil des Raums 8 vorgesehen, und eine Wand 54 teilt
den Raum 8 in zwei Hauptabschnitte, (1) einen Betriebsbereich 56 und
(2) einen Kühlbereich 16.
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1B zeigt
ein X-Y-Schaubild 20 des Luftstroms und -drucks per Kiste
(entlang der Y-Achse 22)
als Funktion der Distanz (entlang der X-Achse 24) entlang
der Länge
des Raums 8. Wie das Schaubild 20 zeigt, existiert
ein größerer Luftstrom
und -druck 26 in den vorderen Abschnitten des Raums bei 18,
was bewirkt, dass die Bananen, die in diesem vorderen Abschnitt 18 des
Raums angeordnet sind, langsamer reif werden da sie mehr gekühlt werden.
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Da die Temperatur der Luft die Temperatur der
Bananen beeinflusst, und die Temperatur der Bananen den Reifungsprozess
beeinflusst, ist es wichtig, dass alle Bananen in dem Reifungsraum
eine einheitliche Menge an Kühlluftstrom
erhalten, um überall ein
gleichmäßiges Reifen
zu bewirken. Es gibt jedoch bei der herkömmlichen Reifungsraumkonstruktion nichts,
was die gleichmäßige Verteilung
der Luft unterstützt,
um eine solche gleichmäßige Reifung
der Bananen im ganzen Raum 8 zu erhalten.
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2A,
die nicht in den Rahmen der Erfindung fällt, zeigt teilweise schematisch
eine Querschnitts-Seitenansicht einer Ausführungsform für ein Luftstrom-Verteilungsschema
und Reifungsraumkonstruktion. Eine Luftverteilungsdecke 128 ist
vorgesehen, um einen einheitlichen Luftstrom 130 für alle Kisten
mit verderblichen Produkten (z. B. Bananen) 104 unabhängig von
ihren Positionen in dem Reifungsraum zu erreichen, generell mit
Bezugszeichen 108 bezeichnet. Die bevorzugte Luftverteilungsdecke 128 ist
geneigt, so dass ihr hinteres Ende 132 niedriger ist als
ihr vorderes Ende 134. Die Luftverteilungsdecke 128 hat
auch deutliche Löcher 136,
die als Luftdurchgänge
wirken, die entlang der Länge
ihrer Seiten angeordnet sind (was besser in 3 gezeigt ist). Die Löcher 136 werden vorzugsweise
progressiv kleiner vom hinteren Teil 132 zum vorderen Teil 134 der
Decke 128, um den Luftstrom an die hintersten Fruchtkisten 104 zu
unterstützen,
die in Bereichen angeordnet sind, die durch Bezugszeichen 119 bezeichnet
sind, und um Luftstrom an die vordersten Fruchtkisten 104 abzuschwächen, die
in Bereichen angeordnet sind, die das Bezugszeichen 118 haben. Der
vordere Teil des Reifungsraums 108 beinhaltet vorzugsweise
eine Tür 109,
die einen einfachen Zugang in den Raum erlaubt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
können
die Luftverteilungslöcher
durch einen einzelnen länglichen
Schlitz 137 entlang jeder Seite der Reifungsraumdecke ersetzt
werden, was in 4 gezeigt
ist. Eine beliebige Anzahl an Variationen in Größe und Abstand der Luftverteilungslöcher ist
möglich, die
alle in den Rahmen dieser Erfindung fallen. Die länglichen
Seitenränder
der Schlitze 137 könnten
z. B. zueinander nicht parallel sein und könnten sich an einem Ende nach
unten verjüngen.
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Zusätzlich zu der Neigung nach
oben und progressiv kleineren Löchern 136 in
der Luft-Verteilungsecke 128 ist
ein „V"-förmiger Luftverteiler 138, am
besten in 3 gezeigt,
zwischen der Luftverteilungsdecke 128 und der gesamten
Decke 106 des Reifungsraums 108 vorgesehen. Der
Luftverteiler 138 richtet den Luftstrom in zwei Pfade und
ist so konfiguriert, dass er den Gegendruck in den Räumen nahe
dem vorderen Abschnitt des Raums (bei Bezugszeichen 139)
erhöht
und dadurch das Luftstromvolumen vorne im Raum reduziert. Das Ergebnis
ist, dass der Pfad des geringsten Widerstands für die von den Gebläsen 112 ausgestoßenen Umluft 110 durch den
Luftkühler 140 (in 3 und 4 nicht gezeigt) nicht mehr den gesamten
Weg bis zu dem vorderen Abschnitt 118 des Reifungsraums 108 umfasst.
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Bei richtiger Konstruktion hat der
Reifungsraum 108 keinen besonderen Luftstromweg von geringstem
Widerstand, stattdessen wird ein gleichmäßiger Luftstrom durch alle
Fruchtkisten 104 erreicht. Diese drei oben genannten Verbesserungen – die Decke 128,
die Verteilungslöcher 136 oder 137 und der „V"-förmige Luftverteiler 138 – allein
oder zusammen – erreichen
eine gleichmäßigere Luftverteilung durch
die Fruchtkisten 104. Eine gleichmäßige Luftverteilung sorgt für minimale
Unterschiede im Luftstrom durch die verschiedenen Teile des Reifungsraums,
wodurch eine relative Temperatureinheitlichkeit zwischen den Paletten
und Bananenkisten sichergestellt ist.
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2B ist
eine X-Y- graphische Darstellung 120 des Luftstroms und
-drucks pro Kiste (entlang der Y-Achse 122) als Funktion
der Distanz/des Abstands (entlang der X-Achse 124) über die
Länge des Reifungsraums 108.
Dieses Schaubild zeigt, dass der Luftstrom und -druck pro Kiste 122 (welche
proportional zur Kühlintensität ist) im
wesentlichen einheitlich ist als Funktion des Abstands 124.
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3 zeigt
die perspektivische Ansicht von oben des „V"-förmigen
Luftverteilers 138, welcher in dem Zwischenraum 142 zwischen
der Luftverteilungsdecke 128 und der Reifungsraumdecke 106 vorgesehen
ist. Es ist klar, dass der Luftverteiler 138 keine präzise „V"-Form haben muss,
um im Rahmen der Erfindung zu liegen. Ein Luftverteiler 138 kann
z. B. etwas „U"-förmig sein
oder gekrümmt
oder verwinkelt an unterschiedlichen Punkten sein, um die Luftstromwege
in die Luftverteilungslöcher 136 oder Schlitze 137 präziser zu
steuern oder aus anderen Gründen,
wie erwünscht.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist jedoch der beschriebene Luftverteiler 138 vorzugsweise „V"-förmig.
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Die Höhe des „V"-förmigen
Luftverteilers 138 ist im wesentlichen gleich dem variierenden
vertikalen Abstand 144 zwischen der Luftverteilungsdecke 128 und
der Reifungsraumdecke 106. Die „V"-Form wird am deutlichsten in einer
Querschnittsansicht von oben des Reifungsraums der vorliegenden
Erfindung wahrgenommen. Die Spitze der „V"-Form ist an dem Bezugszeichen 146 angeordnet
in Richtung des hinteren Teils des Raums 106. Die „V"-Form bildet zwei Luftzirkulationspfade 148 und 150 für die Kühlluft 110,
die von den Gebläsen 112 bläst, und
einem Pfad entlang jeder Seitenwand 152 des Raums 108 folgt. Die
Querschnittsfläche
des Raums 142 (oberhalb der Luftverteilungsdecke), die
für die
Aufnahme eines Luftstroms 110, der von den Gebläsen 112 ausgestoßen wird,
zur Verfügung
steht, wird kleiner mit Annäherung
an den vorderen Abschnitt des Raums 108 (im Bereich 118),
da sowohl die Höhe
als auch Breite jedes Pfads 148 und 150 über der
Luftverteilungsdecke 128 in Richtung des vorderen Teils
des Raums 108 vorzugsweise abnimmt aufgrund der geneigten Konfiguration
der Luftverteilungsdecke 128 bzw. dem „V"-förmigen
Luftverteiler 138. Beim Annähern an den vorderen Teil des
Raums 108 bewirken die Kombination des abnehmenden Volumens über der
Luftverteilungsdecke 128 und den progressiv kleineren Löchern 136 oder
länglichen
Schlitzen 137 in der Verteilungsdecke 128, dass
der Luftdruck an die Kisten in dem gesamten Raum im wesentlichen
einheitlich sind. Folglich werden die Bananen im wesentlichen gleichmäßig gekühlt und
gereift.
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4 zeigt
die länglichen
Schlitze 137 anstelle der einzelnen Luftverteilungslöcher 136 entlang
jeder Seite der Luftverteilungsdecke 128. Jeder Schlitz
ist vorzugsweise 18–20
Zentimeter breit und folgt im wesentlichen der Länge des Raums. Schlitze 137 können entweder
eine konstante oder variable Breite haben, wie gewünscht, um
einen im wesentlichen einheitlichen Luftstrom durch alle Fruchtkisten in
dem Betriebsbereich 156 zu erhalten.
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5 ist
eine Draufsicht des Reifungsraums 108 mit weggeschnittener
Oberseite von oberhalb des Raums 108 gesehen, die die Luftstrompfade zeigt.
Die obere Hälfte
der Zeichnung zeigt die Ansicht von oberhalb der Luftverteilungsdecke 128.
Die untere Hälfte
der Zeichnung zeigt die Ansicht von unterhalb der Luftverteilungsdecke 128.
Die Kraft der Gebläse 112 im
hinteren Teil des Raums (d. h. von dem „Kühl"bereich 116) zirkuliert Luft
durch den gesamten Raum 108. Wenn die Stapel von Kisten 104 in
einem engen Stapel angeordnet sind, sind die Stapel von Kisten 104 generell
in zwei Reihen 178 von Kisten auf Paletten konfiguriert,
die von den Seitenwänden 152 beabstandet
sind und durch einen Korridor 180 getrennt sind. Der Luftstrom 110 von
den Gebläsen 112 wird
durch die Luftverteilungsdecke 128 und Luftverteiler 138 in
Luftverteilungslöcher 136 (oder
wahlweise Schlitze 137) entlang der Seitenwände 152 gerichtet.
Die Luft wird dann durch die Löcher
in den Kisten 104 in den Korridor 180 gezogen, dann
zum hinteren Teil des Raums 116, dann durch den Luftkühler 140 (in 5 nicht gezeigt) zu den Gebläsen 112.
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6 ist
eine Ansicht im Aufriss von dem vorderen Ende des Raums zu dem hinteren
Teil des Raums, als ob die Tür 109 und
die obere Vorderwand abgeschnitten wären. Diese Ansicht zeigt auch
die Luftstrompfade, wo eingekreiste X wie bei Bezugszeichen 182 einen
Fluss in die Zeichnungsseite hinein anzeigen und eingekreiste Punkte 184 einen Fluss
aus der Zeichnungsseite heraus andeuten. Wie in 6 ersichtlich ist, wird der Luftstrom 110 der
Gebläse 112 nach
unten durch die Löcher 136 oder
den Schlitz 137 hindurch in die Luftverteilungsdecke 128 geleitet.
Dieser Luftstrom setzt sich weiter nach unten in den Zwischenräumen 151 entlang
der Seitenwände 152 fort,
bis er durch die gestapelten Bananenkisten 178 fließt. Eine
Plane 172 wird vorzugsweise verwendet, um die oberen Bereiche
der gestapelten Fruchtkisten zu bedecken. Der Luftstrom geht weiter in
den mittleren Korridor 108, wo er zu dem Kühlbereich 116 über eine
Blende oder Öffnung
in der Wand 154 zurückkehrt.
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7 zeigt
ein Schema eines typischen herkömmlichen
Kühlsystems,
das in Verbindung mit Bananenreifungsräumen verwendet wird. Ein solches herkömmliches
Kühlsystem
für Reifungsräume beinhaltet
einen Luftkühler/Verdampfer 440,
Kühlkompressor 498,
Kondensator 496, Solenoidventil 400, thermostatisches
Expansionsventil 494, Produkttemperatursensoren 404 und
einen Thermostat oder thermostatisches Programmgerät 402.
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Bei solchen bekannten Kühlsystemen
erfolgen Änderungen
der Fruchttemperatur während
des Reifungszyklus durch Variieren des Lufttemperatur-Sollwerts
in großen,
plötzlichen
Schritten über
die Zeit hinweg, was von dem thermostatischen Programmgerät 402 gesteuert
wird. Die Produkttemperatur wird durch Temperatursensoren 404 gemessen, welche
elektrische Signale als Eingangssignale an das thermostatische Programmgerät 402 überträgt. Die
Produkttemperatur wird mit der Solltemperatur verglichen, und falls
angemessen überträgt das thermostatische
Programmgerät
ein elektrisches Ausgangssignal an das Solenoid 400, um
den Kühler
an oder aus zu schalten. Der Kühler
wird durch Einschalten des Solenoidventils 400 betätigt, wodurch das
Kühlmittel
dem Verdampfer 440 zugeführt werden kann. Wahlweise
könnte
die minimale Lufttemperatur durch einen Sicherheitsthermostat begrenzt werden.
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Wenn der herkömmliche thermostatische Programmgeräte plötzlich die
Solltemperatur gemäß seinem
Programm ändert,
z. B. von 18,5°C
auf 16,5°C,
arbeitet das Kühlsystem
bei voller Kapazität über lange
intensive Kühlperioden
hinweg, was eine beachtliche Dehydrierung und Reduzierung der Fruchtreifungsqualität induziert.
Dies ist besonders der Fall bei Konfigurationen, wo Temperatursensoren 404 in
die Kisten zusammen mit Bananengruppen an der Seite des Luftauslasses
angeordnet werden, so dass die Zeitverzögerung in der Rückkopplungsschleife
steigt.
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Generell variiert die Verdampfungstemperatur
des Kühlmittels
aufgrund von Änderungen
der Kühlerfordernisse
während
des Reifungsprozesses und Änderungen
der Umgebungstemperaturbedingungen in dem geschlossenen Raum. Herkömmliche Systeme
wie in 7 gezeigt, sind
jedoch so ausgebildet, dass sie auf der Basis einer konstanten Verdampfungstemperatur
betrieben werden, die von einem Gegendruck-Regulierungsventil gesteuert ist, was
eine Dehydrierung der Frucht und geringe relative Luftfeuchtigkeit
zur Folge hat.
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Die Funktion des thermostatischen
Ventils 494 besteht darin, den Fluss des flüssigen Kühlmittels
zu steuern, das zu dem Verdampfer 440 in Reaktion auf die Überhitzung
des Kühlmitteldampfes,
das ihn verlässt,
zugeführt
wird. Seine Grundfunktion besteht darin, die Flussrate in den Verdampfer 440 so hoch
wie möglich
zu halten, ohne zuzulassen, dass flüssiges Kühlmittel zu dem Kompressor
zurückkehrt. Dies
erfolgt normalerweise durch Steuern des Masseflusses von Kühlmittel,
das in den Verdampfer 440 eindringt, so dass dieser gleich
der Rate ist, mit welcher es vollständig verdampft und überhitzt
werden kann in einem gegebenen Ausmaß durch Absorption von Wärme von
dem gekühlten
Medium. Diese Steuerschleife, die manchmal als Flüssigkeitszufuhrregulation
bezeichnet wird, stellt ein System mit variierenden (oft beachtlichen)
Zeitverzögerungen
dar. Das Problem bei der Steuerung eines thermostatischen Ventils
ist verbessert durch Verwendung eines elektronisch gesteuerten proportionalen
Expansionsventils wie Ventil 394 in 8, zusammen mit einem druckregulierenden
Modulations- oder Ansaugventil 300, das in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird und im folgenden detaillierter beschrieben
wird. Thermostatische Expansionsventile sind grob ausgedrückt selbsttätige Proportional-Steuerungen.
Ihre lastabhängige
Abweichung von ihrer ursprünglich eingestellten Überhitzung
ist inhärent,
und je niedriger der Ansaugdruck, umso höher wird diese Abweichung.
Die Abweichung der Überhitzung
wird auch beeinflusst durch die Anzahl an Kompressorstufen in Betrieb
und durch den Kondensationsdruck. Diese Abweichungen können die
Systemkapazität
merklich verschlechtern. Folglich bieten thermostatische Expansionsventile
keine optimale Leistung bei Reifungsraumanwendungen. Somit wird
ein elektronisches proportionales Expansionsventilsystem bei der vorliegenden
Erfindung angepasst, damit es die Schleife besser steuert.
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8 zeigt
die Hauptkomponenten eines verbesserten Kühl- oder Kältesystems, das bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, mit einer logischen Steuereinheit 302, Temperatur-
und Drucksensoren 308, 310 und 312, einem
elektronischen Expansionsventil 394, Modulationsventil 300 und Heizelement 386.
Das System ist speziell ausgebildet für Reifungsraum-Anwendungen
zum Steuern der Temperatur von in den Betriebsbereich eines Reifungsraums
eingeführter
Luft durch allmähliches Ändern der
Solltemperatur über
die Zeit hinweg, auf der Basis von Eingangssignalen bezüglich der
Temperatur des Produkts (z. B. Bananen), Lufttemperatur, Kühlmittel-Überhitzungstemperatur und Kühlmittel-Verdampfungsdruck
während
des Reifungszyklus. Das Kühl-
oder Kältesystem
arbeitet im Bereich von z. B. 10–100% und hat nicht nur zwei
mögliche Betriebszustände, d.
h. entweder ganz AN oder ganz AUS.
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8 zeigt
die Hauptkomponenten wie folgt: Gebläse 112, Luftkühler/Verdampfer
140, Kühlmittel-Überhitzungs-Temperatursensor 308 (welcher das
Expansionsventil 394 reguliert), Kühlmittel-Verdampfungsdrucksensor 310,
Heizelement 386, Kühlmitteltemperatursensor 312,
Modulations- oder Ansaugventil 300 (welches vorzugsweise
ein Proportionalventil ist, das von einer speziellen Elektronik
gesteuert wird), Kühlkompressor 398,
Kondensator 396, elektronisches Expansionsventil 394,
Kisten von gekühlten
Produkten 104, Lufttemperatursensor(en) 306, Produkttemperatursensoren 304 und
logische Steuereinheit 302 mit mehreren Proportional-Integral-Differential
(PID) Steuerungen.
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Gebläse 112 blasen Luft
in den Arbeitsbereich des Reifungsraums durch Kisten 104,
wo die Produkttemperatur an mehreren Punkten in oder nahe den Bananenkisten 104 gemessen
wird. Eine logische Steuereinheit 302 empfängt und
analysiert Eingangssignale von den Produkttemperatursensoren 304,
dem Lufttemperatursensor 306, dem Kühlmittel-Überhitzungs-Temperatursensor 308,
dem Verdampfungsdrucksensor 310 und dem Kühlmitteltemperatursensor 312.
Das Steuersystem misst die Eingangsdaten, vergleicht die Produkttemperatur
mit der Solltemperatur und stellt ihre Ausgangssignale entsprechend
ein. Die logische Einheit 302 liefert Ausgangssignale an
die Modulationsventil 300 Schnittstelle sowie die elektronische
Expansionsventil 394 Schnittstelle. Insbesondere misst
ein Sensor 308 die Überhitzung
des den Verdampfer verlassenden Kühlmittels 388, und
diese Information wird verwendet, um das Expansionsventil 394 einzustellen. Der
Sensor 310 mißt
den Verdampfungsdruck und diese Information wird zum Verstellen
des Modulationsventils 300 verwendet, welches den Kühlmitteldruck ändert. Durch
allmähliches Ändern des
Verdampfungsdrucks mit dem Modulationsventil 300 wird die
Verdampfungstemperatur sanft im Bereich von ca. 5°C bis 15°C gesteuert,
um das System auszugleichen.
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Sobald das Kühlmittel Wärme aufnimmt, nachdem es den
Verdampfer 140 passiert hat, wird seine Überhitzungstemperatur
gemessen und zum Einstellen des Expansionsventils
394 verarbeitet, und
sein Verdampfungsdruck wird gemessen und zum Steuern des Modulationsventils 300 verarbeitet. Das
Kühlmittel 388 wird
dann vorzugsweise durch das Heizelement 386 etwas erwärmt, um
die relative Luftfeuchtigkeit zu steigern, was im folgenden in Bezug
auf 10 deutlicher beschrieben
ist. Nach Erwärmung
durch das Heizelement 386 wird die Kühlmitteltemperatur durch den
Temperatursensor 312 gemessen, was dazu verwendet wird,
das Heizelement 386 einzustellen, um eine im wesentlichen
konstante Temperaturdifferenz im Kühlmittel an den Stellen direkt
vor und nach dem Heizelement 386 zu erhalten, d. h. bei 308 und 312.
Die Temperaturdifferenz über
dem Heizelement 386 sollte im wesentlichen konstant bleiben.
In Reaktion auf den gemessenen Temperaturunterschied steuert eine
spezielle Steuerung die Ausgangsspannung (Heizkapazitätsausgangsgröße) an das
Heizelement. Wie bei herkömmlichen
Kühlsystemen
gelangt dann Kühlmittel 388 durch
den Kompressor 398, wobei seine Temperatur und sein Druck
beide in der Gasphase erhöht werden,
und den Kondensator 396, wo das Gas in eine Flüssigkeit
kondensiert wird bevor es das Expansionsventil 394 erreicht.
Es ist klar, dass bei einer tatsächlichen
Kühlinstallation
zusätzliche
Komponenten zu denen von 8 gefunden
werden können,
ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Das Expansionsventil 394 liefert
eine verbesserte Flüssigkeitszufuhr-Reguliersteuerung,
welche sanfte Änderungen
der Kühlungslufttemperatur mit
der Zeit in Reaktion auf eine sich ändernde Solltemperatur und
Kühlmitteleigenschaften
erlaubt, um die höchst
mögliche
Feuchtigkeit im Reifungsraum bereitzustellen und die erforderliche
Kühlkapazität zu reduzieren.
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Durch Verwendung eines proportionalen
Expansionsventils im Gegensatz zu einem thermostatischen Expansionsventil
ist der Verdampfer 140 so ausgebildet, dass er mehr Flüssigkeit
enthält
und somit effektiver ist. Dies verbessert das Laden des Verdampfers 140,
was eine bessere gesamte Effektivität zur Folge hat, da die Energie,
die durch das verbesserte Kühlsystem
erhalten wird, größer ist
als der Energieverlust durch Erhöhen
der Temperatur des Kühlmittels 388.
Die höhere
Effektivität
liegt auch teils an der Eliminierung von übermäßigen Verzögerungszeiten und Anstiegszeiten,
die normalerweise mit schrittweisen Temperatursteuerungen einhergehen.
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9 stellt
ein Steuerlogikschaubild dar, das generell ein bevorzugtes Verfahren
zum Steuern und Modulieren des proportionalen Ansaugventils 300 beschreibt
(wie in 8 gezeigt).
Der Sollwert für das
verderbliche Produkt für
jede der hier beschriebenen Ausführungsformen
des Reifungsraums wird vorzugsweise so gesteuert, dass er relativ
konstant ist während
eines „Begasungs"schritts, während welchem
typischerweise Ethylengas eingebracht wird, um ein Reifen der verderblichen
Fruchtprodukte (wie Bananen) zu beginnen. Sobald diese Periode beendet
ist, werden die verderblichen Fruchtprodukte vorzugsweise allmählich mit
dem Reifungsraum abgekühlt,
während
die Früchte
angemessen reifen, um entweder weiter gelagert zu werden oder an
ein Verteilungszentrum geschickt werden. Wie 11 zeigt, auf die im Detail im folgenden
Bezug genommen wird, ist es bevorzugt, diese Solltemperatur über lange
Zeitspannen hinweg sehr allmählich
zu verringern, und diese Solltemperatur ist vorzugsweise sehr präzise einstellbar
(d. h. als interne numerische Computervariable) z. B. auf das nächste Hundertstel
oder Tausendstel Grad Celsius.
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Wie dem Fachmann klar sein wird,
kann ein Mikroprozessor oder eine andere Art von Steuerschaltung
verwendet werden, um das allmähliche Abnehmen
des Sollwerts über
viele Stunden oder sogar Tage hinweg zu programmieren, so dass der
Sollwert um nur drei oder vier Grad Celsius über eine Zeitspanne von drei
oder vier Tagen fällt.
Bei der gezeigten Ausführungsform
wird ein 16-Bit-Mikroprozessor als zentrale Darstellung der logischen
Einheit 302 verwendet und somit ist eine Präzision zum nächsten Hundertstel
Grad Celsius möglich.
Natürlich
muß die
angezeigte Temperatur nicht genauer sein als ein Zehntel Grad Celsius.
Der Hauptprodukttemperatursollwert wird bei Bezugszeichen 400 in 9 als analoge Eingangsgröße in eine
erste PID (proportional-integral-differential)
Steuerung eingeführt,
die mit Bezugszeichen 402 bezeichnet ist. Der Sollwert 400 ist
die „berechnete" Solltemperatur für die Fruchtprodukte
(z. B. Bananen), welche gemäß dem Sollwert-Steuerprogramm,
wie oben erwähnt, variiert.
Eine weitere analoge Eingangsgröße wird
an die PID-Steuerung 402 geliefert, und diese andere Eingangsgröße stellt
die tatsächliche
Fruchtprodukttemperatur dar, was mit Bezugszeichen 404 bezeichnet
ist. Der Ausgang der PID Steuerung 402 ist ein numerischer
Wert oder analoges Spannungssignal, das durch das Bezugszeichen 406 angedeutet
ist.
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Das Signal 406 wird als
analoge Eingangsgröße (oder
als numerische Variable) an eine zweite PID Steuerung, bezeichnet
mit Bezugszeichen 408, geliefert. Eine zweite analoge Eingangsgröße wird auch
der PID Steuerung 408 bereitgestellt, und diese stellt
die momentane Temperatur der Zufuhrluft dar (z. B. Zufuhrluft 110 in 2A oder Zufuhrluft 210 bei 12), was durch Bezugszeichen 410 bezeichnet ist.
Die Ausgangsgröße der PID
Steuerung 408 ist ein Signal bezeichnet mit Bezugszeichen 412 und
ist vorzugsweise ein analoges elektrisches Signal, das verwendet
wird, um das Ansaugventil 300 an dem schematischen Schaubild
von 8 zu positionieren.
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Wie aus 9 ersichtlich ist, sind die zwei PID
Steuerungen 402 und 408 "kaskadiert", wodurch das Ausgangsignal der Steuerung 402 direkt
als Eingangssignal für
die Steuerung 408 verwendet wird. Andere Eingangssignale
an diese PID Steuerungen (d. h. Signale 422 und 428)
stellen die „Steueraktionsparameter" dar, die typischerweise vorgesehen sind,
um die Betriebseigenschaften einer PID Steuerung zu bestimmen, insbesondere
die Werte für
den Verstärkungsfaktor,
Integrationskonstante und Differenzierkonstante für PID Steuerungen
einzustellen. Bei der PID Steuerung 402 sind diese Eingangsgrößen logisch
durch die Pfeile 422 dargestellt, und diese ähnlichen
Eingangsgrößen sind
durch die Pfeile 428 für
PID Steuerung 408 dargestellt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Steueraktionsparameter 422 für PID Steuerung 402 wie
folgt: Der Verstärkungsfaktor
wird für
einen 40°K
Steuerbereich eingestellt, die Integrationszeit wird im Bereich
zwischen 10 und 20 Minuten eingestellt und die Differenzierkonstante
wird auf Null gesetzt (d. h. es gibt keine differenzierende Eigenschaft für die PID
Steuerung 402).
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Die bevorzugten Steueraktionsparameter 428 für die PID
Steuerung 408 sind wie folgt: Der Verstärkungsfaktor wird für einen
20°K Steuerbereich eingestellt,
die Integrationszeit wird auf 5 Minuten eingestellt und die Differenzierkonstante
wird auf Null gesetzt. Es ist klar, dass andere Steueraktionsparameterwerte
für beide
PID Steuerungen von 9 verwendet
werden können,
ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Obwohl andere Verstärkungsfaktorsteuerbereiche
und Integrationszeiten als die oben aufgeführten für eine oder beide PID Steuerungen 402 und 408 verwendet
werden können,
ist es bei dem Kaskadensteuerprinzip wichtig, dass die Betriebsgeschwindigkeitseigenschaften
der PID Steuerung 408 schneller sind als der stromaufwärts angeordnete
Steuerblock, dargestellt durch PID Steuerung 402.
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Wie kurz oben beschrieben wurde,
ist ein Heizelement 386, gezeigt in 10, vorzugsweise am Auslass des Verdampfers 140 vorgesehen,
um den gesamten Wirkungsgrad in dem Kühlsystem zu verbessern. Wie
bei herkömmlichen
Verdampfern gelangt Kühlmittel 388 durch
mindestens ein Kühlmittelrohr 390 (auch
Kältemittelleitung
genannt) des Verdampfers 140 und wird von der eintreffenden
wärmeren
Lufttemperatur beeinflusst, wodurch der flüssige Zustand in einen Dampf
in den Kühlmittelrohren 390 übergeht.
Als Beispiel kann die Einlasslufttemperatur „T3" in den Verdampfer 140 12°C sein und
die Auslasslufttemperatur „T4" kann 8°C sein, wenn
das Kühlmittel
in dem Verdampfer erwärmt
wird und sich von einer Flüssigkeit
in einen Dampf ändert.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch weiteres Erwärmen des
austretenden Kühlmitteldampfes
z. B. von 4°C bei „T1" auf 7°C bei „T2" in 10, die Feuchtigkeit des Raums erhöht werden
kann, wodurch man glänzendere,
besser aussehende (und somit besser verkäufliche) Bananen erhält.
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Das Heizelement 386 ist
deshalb vorgesehen, um den Kühlmitteldampf 388 im
Kühlmittelrohr 390 weiter
zu erwärmen,
nachdem es den Verdampfer 140 verlässt. Das Hinzufügen eines
Heizelements 386 zu dem System steigert die relative Feuchtigkeit im
Bananen-Reifungsraum auf z. B. 93 Prozent (93%) , wo diese ansonsten
nur ca. 88 Prozent (88%) ohne das Heizelement 386 betragen
würde.
Wenn der Unterschied zwischen der Verdampfungstemperatur und der
Lufttemperatur abnimmt und die Verdampfungstemperatur sich der Produkttemperatur annähert, nimmt
die Luftfeuchtigkeit zu. Es sollte beachtet werden, dass während diese
beispielhaften Temperaturen hier für einige Bananenreifungs-Anwendungen
genau sind, diese nur beispielhaft sind und in Abhängigkeit
von der Anwendung variieren können,
ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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11 ist
eine graphische Darstellung des sanften, allmählichen Solltemperatur-Reifungsprogramms,
das während
des gesamten, bevorzugten Reifungszyklus verwendet wird, bei Verwendung
des Temperatursteuersystems der vorliegenden Erfindung, im Vergleich
zu den schrittweisen Temperatursollwert-Änderungen bei herkömmlichen
Reifungszyklen. Die Y-Achse stellt die Temperatur in °C dar, die X-Achse
die Zeit, der Graph mit durchgezogener Linie den in der vorliegenden
Erfindung verwendeten Sollwert und der Graph mit gestrichelter Linie
stellt den Sollwert dar, der bei herkömmlichen Reifungsräumen verwendet
wird. Bei beiden Systemen wird die Solltemperatur des verderblichen
Produkts durch eine Temperatursteuerung oder einen automatischen Thermostaten
gesteuert. Das Zeitintervall zwischen den Bezeichnungen C1 und C2
stellt eine Temperatur-Ausgleichsperiode dar. Das Zeitintervall
zwischen den Bezeichnungen C2 und C3 stellt eine Begasungsperiode
dar, und das Intervall zwischen C3 und C4 stellt die Kühlperiode
dar. C4 stellt die Startzeit für die
Lagerung der gereiften Fruchtprodukte dar.
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Während
der Begasungsperiode von C2 bis C3, wird z. B. Ethylengas in den
Raum eingeführt
und in diesem zirkuliert. Sowohl die herkömmliche als auch erfindungsgemäße Solltemperatursteuersysteme
würden
normalerweise die Eingangs-Solltemperatur konstant halten. Während der
Kühlperiode
von C3 zu C4, in welcher Luft durch den Raum oder Container zirkuliert
wird, wird die Solltemperatur der zugeführten Kühlluft allmählich mit der Zeit durch die
logische Steuerschaltung 302 bei der vorliegenden Erfindung
abgesenkt. Bei herkömmlichen
Reifungsräumen
wird die Solltemperatur jedoch schrittweise abgesenkt, was einfach
an den vertikalen gestrichelten Linien zwischen C3 und C4 ersichtlich
ist. Diese plötzliche
Sollwertvariation bewirkt, dass das bekannte Kühlsystem für volle Kühlung angeschaltet wird, und
die tatsächliche
Fruchttemperatur wahrscheinlich den neuen Sollwert unterschreiten
wird. Weiterhin bewirkt dieser Zustand eine Dehydrierung und Unterkühlen der
Frucht, insbesondere wenn Temperatursensoren in Kisten unter Bananengruppen
auf der Luftauslassseite angeordnet sind, so dass die Zeitverzögerung in
der Rückkopplungsschleife – welche
die Eingangssolltemperatur einstellt – vergrößert ist.
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Während
derselben Zeitperiode zwischen C3 und C4 kann das Ethylengas entfernt
werden, woraufhin eine relativ lange Periode folgt, in welcher Luft durch
das/die Gebläse
zirkuliert wird, während
die Solltemperatur der zugeführten
Luft reduziert wird. Wie in 11 gezeigt
ist, schreitet der Temperaturabfall in dem Reifungszyklus der vorliegenden
Erfindung allmählich
voran, fällt
jedoch bei herkömmlichen
Reifungszyklen in großen
einzelnen Schritten ab. Die Bananen werden typischerweise bei einer
gewählten
konstanten Temperatur während
der Zeitspanne nach C4 gelagert.
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In Bezug auf 1 zirkuliert
die Luft in herkömmlichen
Bananen-Reifungsräumen
und Containern in einem einzelnen Pfad von zwischen den Kisten 4,
durch eine Öffnung
in der Wand 54, durch den Kühler 40, zurück in den
Arbeitsbereich 56 und wird dann wieder durch die Kisten 4 gezogen,
um einen vollständigen
Kreislauf zu bilden. Im Gegensatz dazu liefert die vorliegende Erfindung
ein verbessertes Kühlsystem
(wie in 12 gezeigt),
welches einen Bananen-Reifungsraum oder Container mit zwei separaten
Luftkreisläufen
beinhaltet, in welchen ihre anfänglichen
Zweige der Luftkreisläufe
als Bezugszeichen 258 und 210 bezeichnet sind.
Dieses verbesserte Kühlsystem
liefert eine hervorragende Energieeffizienz und kann mit oder ohne
eine Luft-Verteilungsdecke 128 oder Luftverteiler 138 wie
in 2 gezeigt verwendet werden. Weiterhin
kann dieses Kühlsystem
mit einer in zwei Reihen eng gestapelten Kistenkonfiguration wie
oben beschrieben, mit einer Pyramidenstapelkonfiguration oder jeglicher
anderen geeigneten Stapelkonfiguration verwendet werden. Zum Zwecke
dieser Beschreibung wird das verbesserte Kühlsystem beschrieben, wie es
in einem containerartigen Reifungsraum mit pyramidenartig gestapelten
Kisten verwendet wird. Es ist klar, dass ein typischer Container 208 einen
Anhänger
von z. B. bis zu 40 Fuß Länge umfasst,
welcher über
Straßen transportiert
werden kann, normalerweise von einer LKW-Maschine gezogen.
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12 zeigt
einen „Kühlwandler" 262, welcher
Wärme ziemlich
effektiv zwischen einem kleineren Luftkreislauf 258, der
durch einen Luftkühler 240 gelangt,
und einem viel größeren (in
Volumen) Luftkreislauf 260 überträgt, welcher die in Kisten 204 gelagerten
Früchte
kühlt.
Der Weg des größeren Kreislaufs 260 (der
sogenannte Umluftkreislauf) gelangt nicht durch den Luftkühler 240.
Von der gesamten Luft, die in dem Container 208 fließt, kann
der Luftkreislauf 260 siebzig bis achtzig Prozent (70%–80%) des
gesamten Systemluftstroms haben, wohingegen der kleinere Luftkreislauf 258 nur
zwanzig bis dreißig Prozent
(20%–30%)
des gesamten Systemluftstroms zu haben braucht. Die Flussrate durch
die Bananen kann beispielsweise ca. 10000 m3/hr
betragen und der Luftstrom durch den kleineren Kreislauf könnte dementsprechend
ca. 2500 m3/hr sein. Die zwei Luftkreisläufe 258 und 260 treffen
sich nur in einem einzigen Bereich, in einer Mischkammer 266 wo
die Luft von beiden Kreisläufen
gemischt wird. Die Mischkammer 266 ist durch eine „zusätzliche" Wand 254 auf
einer Seite und eine Teilwand 268 auf der anderen Seite
begrenzt.
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Da der kleinere Luftkreislauf gekühlte Luft enthält, überträgt der größere Luftkreislauf 260 Wärme an den
kleineren Luftkreislauf 258, wodurch die Temperatur des
größeren Luftkreislaufs
sinkt und die Kühlenergie
des kleinen Luftkreislaufs 258 an das gekühlte Produkt
in den Kisten 204 übertragen
wird. Eine Temperaturabnahme von 4°C in dem kleineren Luftkreislauf 258 könnte z.
B. eine Temperaturabnahme von ca. 1°C in dem größeren Luftkreislauf 260 bewirken.
Ein Vorteil der Konstruktion des Kühlwandlers 262 besteht
darin, dass er eine hervorragende Temperatursteuerung in dem Reifungsbereich,
den der größere Luftkreislauf 260 beeinflusst,
bereitstellt. Die Konstruktion ist sehr einfach, und der Kühler/Verdampfer 240 kann
in einem größeren, effektiveren Temperaturbereich
arbeiten im Vergleich zu herkömmlichen
Reifungsräumen.
Die Lufttemperatur der kühlsten
Luft in dem kleineren Luftkreislauf 258 kann viel niedriger
bleiben als die Lufttemperatur in dem größeren Luftkreislauf 260,
da die kälteste
Luft niemals die Bananen berührt.
Mit dem flexiblen Mischen von Luft zwischen dem größeren und
dem kleineren Luftkreislauf 260 und 258 wird ein
einfach zu konstruierendes System zum Steuern der Kühlleistungskapazität erzeugt.
Dies ist eine höchst
effektive, kostengünstige
Lösung
zum Kühlen
von Bananen in einem Bananen-Reifungsraum 208.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 12 bewegt sich der Pfad
des kleineren Kreislaufs 258 in Richtung des Kühlers 240 über einen
Satz „kleiner" Luftgebläse 264,
durch den Kühler 240,
dann in die Mischkammer 266. Um die Luftfeuchtigkeit zu
erhöhen,
wird das kleine Gebläse 264 vorzugsweise
vor dem Luftkühler 240 in
diesem kleineren Luftkreislauf 258 angeordnet und ein Heizelement
(nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um das Kühlmittel des Kühlers 240 zu
wärmen,
wie oben erwähnt,
um die Feuchtigkeit in dem Reifungsraum zu verbessern.
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Bei dem größeren Kreislauf 260 fließt die Luft in
einem Pfad durch eines oder mehrere größere Gebläse 212 in der Gebläseöffnung in
der Wand 254, in die Mischkammer 266, in und durch
die Kisten 204 im Betriebsbereich 256, dann zurück durch
die Gebläse 212.
Wie aus 12 deutlich
zu ersehen ist, erhält der
Abschnitt der Kisten, der generell mit Bereich 219 bezeichnet
ist, die heißeste
Rückkehrluft
von dem größeren Luftkreislauf 260 nachdem
die Kühlluft
sich beim Rückweg
zu den Gebläsen 212 durch
die meisten anderen Kisten 20 hindurchbewegt hat und Wärme mit
diesen ausgetauscht hat.
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Um die Ungleichheit der Kühlluft zwischen dem
vorderen und hinteren Teil des Reifungsraums 208 zu reduzieren,
trennt ein kurzes Stück
einer Plane, bezeichnet mit 272, die vorzugsweise an die Wand 254 angrenzt,
den oberen und unteren Abschnitt der ersten paar Stapel von Kisten,
die dem hinteren Teil des Raums 208 am nächsten sind.
Ein Spalt in der Plane 272 (bei den Luftstrompfeilen 274) veranlasst,
dass eine Menge an kühler „Bypassluft" 274, die
einen minimalen Prozentsatz (z. B. 20%) des Volumens des größeren Luftstromkreislaufs 260 darstellt,
sofort zu den unteren Kisten fließt, die im hinteren Bereich 219 des
Raums angeordnet sind und dadurch diese Kisten kühlt. Ein weiteres Stück der Plane 272 verläuft weiter
von dem Spalt zu dem vorderen Teil des Raums 208. Natürlich erhalten
die Kisten, die in den vorderen Abschnitten des Raums 208 angeordnet
sind, die geringste Menge an Bypassluft 274.
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13 ist
eine Ansicht im Querschnitt von 12 entlang
der Linie 13-13. Sie zeigt die Pyramidenstapelanordnung von Kisten 204 und
den bevorzugten Ort der Gebläse 212.
Wie aus 13 ersichtlich
ist, werden die Kisten 204 mit verderblichen Fruchtprodukten
praktisch bis zur Decke 206 des Reifungsraums 208 hoch
gestapelt. Es ist bevorzugt, das Pyramidenstapelverfahren für den Container 208 zu
verwenden, so dass es Spalte zwischen allen Kisten 204 gibt,
damit Kühlluft
entlang der Länge
des Containers 208 hin und her fließen kann.
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In 13 z.
B, stellen die eingekreisten x, angedeutet durch Bezugszahlen 210,
Luft dar, die in das Zeichnungspapier von 13 fließt, welche auch der Luft entspricht,
die nach rechts in 12 fließt. Dieser
Luftstrom 210 stellt den Abschnitt des größeren Luftkreislaufs 260 dar,
welcher die niedrigste Temperatur hat, da diese Luft gerade von
der Mischkammer 266 kam. Diese Luftstromrichtung ist vorzugsweise
auf die obere Hälfte
der gestapelten Bananen beschränkt,
was in 12, 13 und 14 gezeigt ist, und die Temperatur nimmt
allmählich
zu, wenn der Luftstrom durch die Kisten 204 der gestapelten
verderblichen Früchte
fließt.
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Wenn die Luft, die sich entlang den
Pfaden bewegt, angezeigt durch Bezugszeichen 210, den freien
Raum, bezeichnet durch Bezugszeichen 259, erreicht (siehe 12), wird die Luft um ca.
180 Grad umgelenkt und bewegt sich dann von rechts nach links in 12 entlang der unteren Hälfte der
gestapelten Kisten 204. In 13 ist
dieser Luftstrom angedeutet durch eingekreiste Punkte, die mit Bezugszeichen 270 bezeichnet
sind. Natürlich
blockieren in 13 die
Gebläse 212 und
die Wand 254 den Blick auf die gestapelten Bananen, durch
welche dieser Abschnitt des größeren Luftkreislaufs 260 gelangt.
Natürlich
ist die Temperatur des Luftstroms in diesem Bereich des größeren Luftkreislaufs 260 größer als
die Temperaturen des oberen Abschnitts, angezeigt durch Bezugszeichen 210.
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14 ist
eine weitere Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 14-14 von 12. Da diese Ansicht entgegengesetzt
zur 13 ist, erscheinen die
Richtungspfeile 210 als umkreiste Punkte, was bedeutet,
dass der Luftstrom aus dem Zeichnungsblatt von 14 heraus gerichtet ist. Entsprechend sind
die Luftstrompfeile 270 als eingekreiste x in 14 gezeigt, was bedeutet,
dass der Luftrom in das Zeichnungsblatt hinein gerichtet ist. 14 zeigt ebenfalls die relativ
offene Rahmenstruktur der Paletten bei Bezugszeichen 276,
was auch ermöglicht, dass
eine bestimmte Menge an Luftstrom zwischen den Rahmen gelangt.
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Bei dieser Anordnung kann der kleinere
Luftkreislauf 258 ein kleines Volumen von Luft deutlich kühlen, um
die Luft, die in dem größeren Kreislauf 260 fließt, effektiv
zu kühlen,
welche wiederum die Bananen kühlt.
Dieses Verfahren ermöglicht
die Verwendung von kleinerer Niedrigenergie-Kühlausrüstung, weniger Hochleistungsgebläsen und
weniger mechanischer Abnutzung der Kühlausrüstung, im Gegensatz zu herkömmlichen
Reifungsräumen,
die einen Verdampfer von größerer Kapazität erfordern und
mehr Energie zum Kühlen
des gesamten Luftstroms, der durch den Reifungsraum fließt. Weiterhin kann
das Kühlsystem
der vorliegenden Erfindung eine größere Menge an Luft kühlen als
die Kühlsysteme
von gleicher Kapazität,
die bei bekannten Reifungsräumen
verwendet werden. Die vorliegende Anordnung ist effektiv, einfach
und kostensparend zu konstruieren.
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Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls
vielfältig
einsetzbar und kann so ausgebildet werden, dass sie für verschiedene
Arbeitsbedingungen und Kühlausrüstungen
geeignet ist. Einige Kühlsysteme erfordern
z. B. eine niedrige Verdampfungstemperatur und/oder werden für Tiefkühl-Anwendungen
verwendet. Solche "Niedertemperatur"-Kühlsysteme, die
Wärmeenergie
mit relativ großen
Temperaturunterschieden zwischen den zu kühlenden Produkten und dem Verdampfer übertragen,
wären für herkömmliche
Reifungssysteme nicht geeignet, da Dehydrierung und Unterkühlen der
verderblichen Produkte die Folge wäre. Im Gegensatz dazu ermöglicht der "Kühlwandler" der vorliegenden Erfindung die Verwendung
solcher "Niedertemperatur-Kühlausrüstung" in dem kleineren
Luftkreislauf 258 für
die Bananenreifung.
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Es ist klar, dass die Betriebsprinzipien
des Kühlwandlers 262 in
vielen Kühlanwendungen
verwendet werden können,
die sich von den Reifungsräumen
für verderbliche
Früchte
unterscheiden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu
verlassen.
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Die vorstehende Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wurde zur Darstellung und Beschreibung präsentiert.
Sie ist nicht erschöpfend
oder einschränkend
auf die genau offenbarte Form der Erfindung. Offensichtliche Modifikationen
oder Variationen sind im Rahmen der obengenannten Lehre möglich. Die
Ausführungsform wurde
gewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische
Anwendung am besten darzustellen, um es hierdurch dem Fachmann zu
ermöglichen,
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen
Modifikationen, wie sie für
die bestimmte in Betracht gezogene Anwendung geeignet sind, zu verwenden.
Es ist vorgesehen, dass der Rahmen der Erfindung in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert ist.