EP2597402B1 - Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP2597402B1
EP2597402B1 EP12192227.2A EP12192227A EP2597402B1 EP 2597402 B1 EP2597402 B1 EP 2597402B1 EP 12192227 A EP12192227 A EP 12192227A EP 2597402 B1 EP2597402 B1 EP 2597402B1
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EP
European Patent Office
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product
mass
coolant
cooling module
value
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EP2597402A2 (de
EP2597402B8 (de
Inventor
Walter Laimer
Maciej Pilat
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Messer Austria GmbH
Messer Polska Sp zoo
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Messer Austria GmbH
Messer Polska Sp zoo
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/12—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using solidified gases, e.g. carbon-dioxide snow
    • F25D3/125—Movable containers

Definitions

  • the invention relates to a method for filling a cooling container associated with a transport container for transporting cooled products with a refrigerant, which brought in the intended use of the transport container with a product stored in a storage area of the transport container in thermal contact and the product thereby utilizing the evaporation, melting or sublimation enthalpy of the refrigerant is cooled, being calculated before the beginning of the use of the cooling time, the difference between storage temperature and ambient temperature during use and from heat transfer coefficient and geometry of the transport container, a gross mass value for the amount of the cooling module to be supplied refrigerant.
  • a method is for example from the FR-A1-2 726 353 known.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method.
  • thermally insulated transport containers are used, which are equipped with a storage area in which the cooled product to be transported is stored during transport.
  • the storage area is in thermal contact with a cooling module integrated in the transport container, in which a cryogenic refrigerant, for example carbon dioxide snow or liquid nitrogen, is stored.
  • a cryogenic refrigerant for example carbon dioxide snow or liquid nitrogen
  • the heat from the environment penetrating through the walls into the interior of the transport container is taken up by the cryogenic refrigerant, which evaporates or sublimates, during which the temperature inside the transport container remains essentially the same.
  • a product to be cooled can be maintained during transport over a period of several hours or even days to a temperature value below a predetermined value, without the need for ongoing cooling by an electrically operated cooling unit.
  • the transport container comprises a releasably connected to this cooling module in which carbon dioxide is stored as a refrigerant.
  • the cooling module is coupled to a filling and removal module, which supplies the cooling module carbon dioxide in a liquid state under pressure. Inside the cooling module, the liquid carbon dioxide relaxes and turns into a mixture of carbon dioxide snow and carbon dioxide gas. While the carbon dioxide snow is retained in the cooling module by suitable retention means, the resulting carbon dioxide gas is sucked out of the cooling module and removed.
  • the cooling module is separated from the filling and removal module, and the carbon dioxide snow in the cooling module cools the product in the storage area of the transport container.
  • the temperature in the interior of the transport container remains substantially the same. Only after the complete sublimation of the carbon dioxide, the atmosphere in the interior of the transport container gradually heats up. The period of time over which the product can be kept below a predetermined temperature is thus determined largely by the sublimation enthalpy of the carbon dioxide in the cooling module, the heat transfer coefficient of the transport container and its geometry, and the difference between storage and ambient temperature.
  • the filling and removal module is equipped with a control unit, in which the required for cooling over the desired period of time amount of carbon dioxide snow is calculated from the above parameters before transport.
  • the mass of refrigerant calculated in this way from parameters of the transport container and the environment as well as from the cooling duration is referred to below as "gross mass value" in the context of the invention.
  • the parameters are stored electronically in the control unit, or are entered manually into the control unit before use.
  • the control unit communicates with a metering unit provided in the filling and removal module, by means of which exactly the calculated amount of carbon dioxide is supplied to the cooling module.
  • the procedure outlined here also succeeds in a similar manner when using a liquid refrigerant, such as liquid nitrogen, in which the enthalpy of enthalpy, however, takes the place of the enthalpy of enthalpy, or when using a solid refrigerant which merely melts during the cooling process and not sublimated, such as water ice.
  • a liquid refrigerant such as liquid nitrogen
  • the enthalpy of enthalpy takes the place of the enthalpy of enthalpy
  • a solid refrigerant which merely melts during the cooling process and not sublimated, such as water ice.
  • the enthalpy of fusion is used to absorb the heat.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for filling a cooling module associated with a transport container for transporting cooled products and a device suitable for this purpose, in which the amount of refrigerant to be supplied to the cooling module is adapted even better to the quantity actually required to cope with the cooling task ,
  • the inventive method is based on the consideration that the enthalpy of the product must be included in order to determine the actually required amount of refrigerant. It is assumed that the water content of the product is of major importance. Since the enthalpy of water or water ice is known, it is quite possible to obtain a value for the enthalpy of the product which is at least usable within the scope of the invention.
  • the invention is based on the assumption that, in order to accomplish a cooling task, it is generally not necessary to keep the product at the temperature value which it had when removing the product from a large storage facility, for example a cold store, but during the course of the cooling operation Use of the transport container, especially during transport, a certain warming of, for example, 5 K for the quality of the product is irrelevant in most cases.
  • This temperature difference hereinafter referred to as “tolerance temperature difference” corresponds to the difference between the initial temperature (cold storage temperature) and the final temperature (set temperature when removing the product from the storage area of the transport container at the end of the transport). According to the teaching of the invention, therefore, the amount of heat is determined, which is required for heating the water content in the product by the tolerance temperature difference.
  • the gross mass value needed to include product-related parameters is determined, for example, from a table stored in the control unit for various products.
  • product-related parameters such as the mass and type of product, the desired final temperature and the desired service life (eg transport time) in a control unit of the transport container or the filling and removal module to enter.
  • the water content of the product results, for example, from a table stored in the control unit for various products.
  • the water content of spinach is typically 93% by mass, of broccoli or strawberries about 90% by mass, for lean beef about 49% by mass, for lean pork about 37% by mass and for butter about 16% %.
  • the control unit calculates from this data a value for the amount of heat (enthalpy), which is absorbed by the product during the heating by the tolerance temperature difference and does not need to be absorbed by the refrigerant.
  • This enthalpy value thus corresponds to an equivalent mass of refrigerant with regard to the cooling process and thus reduces the mass of refrigerant which has to be supplied to the cooling module to handle the cooling task (net mass value) compared to the value which, according to the conventional methods outlined above, ignores the enthalpy of the Product is calculated (gross mass).
  • the method according to the invention thus leads in some cases to considerable savings of refrigerant.
  • the refrigerant is preferably a cryogenic refrigerant, that is to say a liquefied or solidified gas, for example liquid nitrogen.
  • a cryogenic refrigerant that is to say a liquefied or solidified gas, for example liquid nitrogen.
  • carbon dioxide snow is used as the refrigerant.
  • the carbon dioxide is preferably supplied to the cooling module in the liquefied state under pressure at ambient temperature and released upon entry into the cooling module to produce carbon dioxide snow and carbon dioxide gas.
  • the carbon dioxide snow is collected in the cooling module and used as a refrigerant.
  • the method according to the invention is also suitable for other refrigerants, such as water ice.
  • the process according to the invention is preferably used for the transport of frozen products.
  • Such products, especially foods, are usually stored in cold stores at 243 K (-25 ° C); a Final temperature of 248 K (-20 ° C), however, is not critical in most cases.
  • the frozen water contained in the frozen products contributes to the total usable enthalpy with an enthalpy of 2 kJ / (kg K).
  • the object of the invention is also achieved with a device for carrying out the method according to the invention, in which a transport container is equipped with a storage area for a product to be cooled and a cooling module thermally connected to the storage area.
  • the device furthermore has a filling module connectable to the cooling module for supplying refrigerant, an input unit for inputting parameters such as transport time, mass and type of product, tolerance temperature difference, a data processing unit integrated in a control unit of the filling module for calculating the enthalpy of the water content in the product for the purpose of determining a net mass value of refrigerant to be supplied from parameters entered and / or stored in the control unit, and a metering unit associated with the filling unit and connected to the control unit for supplying a quantity of refrigerant corresponding to the net mass value to the cooling module.
  • the data processing unit which incidentally may also be a part of a data processing unit contained in the control unit, enables the enthalpy of the water contained in the product to be taken into account in the calculation of the amount of refrigerant to be supplied to the cooling module.
  • the amount of refrigerant required to handle the cooling task can be much better determined and fed to the transport container than was possible according to the state of the art.
  • the device according to the invention additionally comprises a balance connected to the control unit for determining the mass of the product to be transported.
  • the measurement data of the balance are preferably transmitted automatically to the control unit and used directly to calculate the amount of refrigerant to be supplied.
  • FIG. 1 shows in schematic sectional view Inventive system for filling a transport container for transporting cooled products with a cryogenic refrigerant.
  • the in Fig. 1 shown transport container 1 comprises a storage area 2 for storing a cooled product 3 during use, for example, a transport from a central cold store to a customer.
  • the storage area 2 is via a thermally conductive bottom 4 or via a flow connection with a cooling module 5, in which a refrigerant, in the embodiment of carbon dioxide snow 6, is stored.
  • the outer walls 7 of the transport container 1 are thermally insulated to prevent heat input from the environment as much as possible.
  • the cooling module 5 is filled with carbon dioxide snow 6 in the manner described in more detail below. The cooling of the product during transport takes place exclusively due to the thermal contact between the storage area 2 and the cooling module 5.
  • penetrating heat passes through the thermally conductive bottom 4 in the cooling module 5 and is absorbed by the carbon dioxide snow 6, wherein the carbon dioxide snow 6 gradually sublimated. Due to the sublimation enthalpy of the carbon dioxide snow 6, the temperature in the interior of the cooling module 5, and thus also within the storage area 2, remains largely constant until the carbon dioxide snow 6 is completely sublimed.
  • the filling and removal module 10 has a supply line 11 for liquid carbon dioxide and a discharge 12 for gaseous carbon dioxide, which are spaced apart from each other.
  • the supply line 11 and the discharge line 12 are connected to corresponding, mutually spaced terminals 13, 14 of the cooling module 5.
  • the carbon dioxide relaxes and partly in carbon dioxide snow and partly in carbon dioxide gas over.
  • the carbon dioxide snow 6 is retained in the cooling module by means of a sieve 15, while at the same time the resulting carbon dioxide gas is removed or sucked off via the connection 13 and the discharge line 12.
  • the amount of carbon dioxide snow to be held ready for a cooling task in the cooling module 5 depends on a number of factors. In addition to the duration of transport, these are in particular the temperature of the product when introduced into the storage area 2, the ambient temperature and the heat input through the outer walls 7 of the transport container 1.
  • the filling and removal module 10 is a control unit 18 associated with the required parameters Calculated amount of carbon dioxide to be supplied. Parameters that can not be automatically detected by the system, such as the transport time, are input via an input unit 19 associated with the control unit 18.
  • the control unit is connected to a metering device 20 in data connection, which is arranged in the supply line 11 for liquid carbon dioxide and which can block or release the supply of liquid carbon dioxide through the supply line 11.
  • the dosing unit 20 is set so that only the calculated in the control unit 18 amount of liquid carbon dioxide is discharged to the cooling module 5.
  • a program entered in the control unit 18 additionally takes into account the enthalpy of the water or water ice contained in the product 3.
  • the type of product 3 is entered in the input unit 19.
  • the product 3 is selected from a given list displayed on a display unit of the input unit.
  • a table is already programmed from which the specific water content for a specific product results. Also entered or already programmed is / is a value for a temperature difference by which the product may be warmed up during transport (tolerance temperature difference).
  • the mass of the product 3 is detected at the same time. From the mass of the product 3, the tolerance temperature difference and the value of the water content in the product 3, a value for the total usable enthalpy of the water content is calculated.
  • One of these "usable enthalpy" corresponding thermal energy must be the water content be supplied to warm it by the tolerance temperature difference. This heat energy must therefore no longer be absorbed by the refrigerant, so that the total amount of refrigerant that is supplied to the cooling module 5 can be reduced accordingly.
  • the amount of carbon dioxide snow 6 to be saved in this way is calculated in the control unit from the sublimation enthalpy of the carbon dioxide (573 kJ / kg) and taken into account in the determination of the amount of carbon dioxide snow 6 to be supplied to the cooling module 5. As a result, only a correspondingly reduced amount of carbon dioxide is fed to the cooling module 5 via the feed line 11 by means of the metering unit 20.
  • the inventive method or the inventive arrangement is particularly suitable for the transport of temperature-sensitive, cooled products of all kinds, such as frozen foods, pharmaceutical products or biological substrates such as organs or tissue samples.
  • An isothermal container is filled with 200 kg frozen meat beef with 60% lean fraction.
  • the average water content of such a product (mass fraction) is 50%.
  • the initial temperature of the product in the cold store is minus 25 ° C.
  • the temperature in the container must not rise above minus 20 ° C until the end of the transport, i. not more than 5 K above the temperature in the cold store.
  • the enthalpy of frozen water is 2 kJ / (kg ⁇ K)
  • the enthalpy of the water in the product is about 1000 kJ in total.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls mit einem Kältemittel, das beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Transportbehälters mit einem in einem Lagerbereich des Transportbehälters gelagerten Produkt in thermischem Kontakt gebracht und das Produkt dabei unter Ausnutzung der Verdampfungs-, Schmelz- oder Sublimationsenthalpie des Kältemittels gekühlt wird, wobei vor Beginn des Einsatzes aus der Kühldauer, der Differenz zwischen Lagertemperatur und Umgebungstemperatur während des Einsatzes sowie aus Wärmedurchgangskoeffizienten und Geometrie des Transportbehälters ein Bruttomassenwert für die Menge des dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittels berechnet wird. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der FR-A1-2 726 353 bekannt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zum Transport gekühlter Produkte, insbesondere zum Transport von Lebensmitteln, pharmazeutischen Produkten, biologischen oder medizinischen Präparaten im gekühlten Zustand, kommen thermisch isolierte Transportbehälter zum Einsatz, die mit einem Lagerbereich ausgerüstet sind, in denen das zu transportierende gekühlte Produkt während des Transports gelagert wird. Um das Transportgut während der gesamten Transportdauer auf einen Temperaturwert unterhalb eines vorgegebenen Werts gekühlt zu halten, steht der Lagerbereich mit einem im Transportbehälter integrierten Kühlmodul in thermischem Kontakt, in dem ein kryogenes Kältemittel, beispielsweise Kohlendioxidschnee oder flüssiger Stickstoff, gelagert wird. Die durch die Wände in das Innere des Transportbehälters eindringende Wärme aus der Umgebung wird vom kryogenen Kältemittel aufgenommen, das dabei verdampft bzw. sublimiert, währenddessen die Temperatur im Innern des Transportbehälters im Wesentlichen gleich bleibt. Auf diese Weise kann ein zu kühlendes Produkt während des Transports über einen Zeitraum von mehreren Stunden oder gar Tagen auf einen Temperaturwert unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten werden, ohne dass es dazu der laufenden Kühlung durch ein elektrisch betriebenes Kühlaggregat bedarf.
  • Ein Beispiel für ein derartiges System ist in der Druckschrift EP 1 088 191 A1 beschrieben. Bei diesem System umfasst der Transportbehälter ein mit diesem lösbar verbundenes Kühlmodul, in dem Kohlendioxid als Kältemittel bevorratet wird. Zum Befüllen wird das Kühlmodul an ein Befüll- und Entnahmemodul gekoppelt, das dem Kühlmodul Kohlendioxid in flüssigem Zustand unter Druck zuführt. Im Innern des Kühlmoduls entspannt sich das flüssige Kohlendioxid und geht in ein Gemisch aus Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas über. Während der Kohlendioxidschnee durch geeignete Rückhaltemittel im Kühlmodul zurückgehalten wird, wird das entstehende Kohlendioxidgas aus dem Kühlmodul abgesaugt und abgeführt. Nach der Befüllung wird das Kühlmodul vom Befüll- und Entnahmemodul getrennt, und der im Kühlmodul befindliche Kohlendioxidschnee sorgt für die Kühlung des im Lagerbereich des Transportbehälters befindlichen Produkts.
  • Solange sich noch festes Kohlendioxid im Kühlmodul befindet, wird die eindringende Wärme weitgehend für die Sublimation des Kohlendioxids aufgewendet, wobei die Temperatur im Innern des Transportbehälters im Wesentlichen gleich bleibt. Erst nach dem vollständigen Sublimieren des Kohlendioxids erwärmt sich allmählich die Atmosphäre im Innern des Transportbehälters. Die Zeitdauer, über die das Produkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann, wird somit maßgeblich von der Sublimationsenthalpie der im Kühlmodul befindlichen Kohlendioxidmenge, dem Wärmedurchgangskoeffizienten des Transportbehälters sowie dessen Geometrie, und der Differenz zwischen Lager- und Umgebungstemperatur bestimmt. Um den Verbrauch an Kohlendioxid zu begrenzen, wird das Befüll- und Entnahmemodul mit einer Steuereinheit ausgerüstet, in der vor dem Transport die zur Kühlung über die gewünschte Zeitdauer erforderliche Menge an Kohlendioxidschnee aus den genannten Parametern berechnet wird. Die auf diese Weise aus Parametern des Transportbehälters und der Umgebung sowie aus der Kühldauer berechnete Masse an Kältemittel wird im Rahmen der Erfindung im Folgenden "Bruttomassenwert" genannt. Die Parameter sind hierzu elektronisch in der Steuereinheit eingespeichert, bzw. werden vor dem Einsatz manuell in diese eingegeben. Die Steuereinheit steht mit einer im Befüll- und Entnahmemodul vorgesehenen Dosiereinheit in Verbindung, mittels der genau die berechnete Menge an Kohlendioxid dem Kühlmodul zugeführt wird.
  • Das hier skizzierte Vorgehen gelingt im übrigen in ähnlicher Weise auch bei der Verwendung eines flüssigen Kältemittels, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, bei dem allerdings an die Stelle der Sublimationsenthalpie die Verdampfungsenthalpie tritt, oder bei der Verwendung eines festen Kältemittels, das beim Kühlvorgang lediglich schmilzt und nicht sublimiert, wie beispielsweise Wassereis. In diesem Fall wird die Schmelzenthalpie zur Aufnahme der Wärme genutzt.
  • Durch das bekannte Verfahren wird die Menge an Kältemittel, das dem Kühlmodul zugeführt wird, begrenzt und auf diese Weise bereits ein wirtschaftlicher Einsatz des Kältemittels gewährleistet. Es zeigt sich jedoch, dass in vielen Fällen tatsächlich mehr Kältemittel zugeführt wird, als zur Bewältigung der Kühlaufgabe erforderlich ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung zu schaffen, bei dem die Menge des dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittel noch besser an die tatsächlich zur Bewältigung der Kühlaufgabe erforderliche Menge angepasst wird.
  • Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass
    • vor Beginn des Einsatzes die Masse des im Lagerbereich gelagerten Produkts bestimmt wird,
    • aus der Masse und dem spezifischen Wasseranteil des gelagerten Produkts ein Wert für die Gesamtmasse an Wasser im Produkt errechnet wird,
    • aus der Gesamtmasse an Wasser im Produkt und einer Toleranztemperaturdifferenz ein Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser im Produkt um die Toleranztemperaturdifferenz bestimmt wird,
    • der Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser mit der Sublimationsenthalpie des Kältemittels zur Berechnung eines Äquivalenzmassenwertes an Kältemittel in Beziehung gebracht wird,
    • der Äquivalenzmassenwert von dem berechneten Bruttomassenwert für das dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittel in Abzug gebracht und auf diese Weise ein Nettomassenwert an Kältemittel ermittelt wird, und
    • dem Kühlmodul eine dem Nettomassenwert entsprechende Masse an Kältemittel zugeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Überlegung aus, dass zur Bestimmung der tatsächlich erforderlichen Menge an Kältemittel die Enthalpie des Produkts einbezogen werden muss. Dabei wird davon ausgegangen, dass dabei dem Wasseranteil des Produkts eine maßgebliche Bedeutung zukommt. Da die Enthalpie von Wasser bzw. Wassereis bekannt ist, kann so recht genau ein Wert für die im Rahmen der Erfindung mindestens nutzbare Enthalpie des Produkts gewonnen werden.
  • Weiterhin geht die Erfindung davon aus, dass es zur Bewältigung einer Kühlaufgabe in der Regel nicht erforderlich ist, das Produkt auf dem Temperaturwert zu halten, den es bei der Entnahme des Produkts aus einem Großlager, beispielsweise einem Kühlhaus, hatte, sondern dass im Verlauf des Einsatzes des Transportbehälters, insbesondere während eines Transports, eine gewisse Erwärmung um beispielsweise 5 K für die Qualität des Produkts in den meisten Fällen unerheblich ist. Diese Temperaturdifferenz, im Folgenden "Toleranztemperaturdifferenz" genannt, entspricht der Differenz zwischen der Anfangstemperatur (Kühlhaustemperatur) und der Endtemperatur (Solltemperatur bei der Entnahme des Produkts aus dem Lagerbereich des Transportbehälters am Ende des Transports). Gemäß der erfindungsgemäßen Lehre wird also die Wärmemenge bestimmt, die zur Erwärmung des Wasseranteils im Produkt um die Toleranztemperaturdifferenz erforderlich ist. Diese Wärmemenge wird während des Transports vom Produkt aufgenommen und braucht nicht mehr dem Kältemittel zugeführt zu werden. In Bezug auf die Kühlaufgabe entspricht sie also einer bestimmten, eingesparten Masse an Kältemittel, hier "Äquivalenzmassenwert" genannt. Demzufolge kann die Menge an Kältemittel im Kühlmodul entsprechend um den Äquivalentmassenwert vermindert werden, ohne dass es zu Einbußen an der Qualität des transportierten Produkts kommt. Die gegenüber dem Bruttomassenwert um den Äquivalenzmassenwert verminderte Masse an Kühlmittel wird hier "Nettomassenwert" genannt.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, zusätzlich zu den Daten, die bei den derzeit eingesetzten Systemen der oben beschriebenen Art zur Bestimmung des Bruttomassenwerts benötigt werden, produktbezogene Parameter einzubeziehen. Diese produktbezogenen Parameter, wie die Masse und die Art des Produkts, die gewünschte Endtemperatur sowie die gewünschte Einsatzdauer (z.B. Transportdauer) in einer Steuereinheit des Transportbehälters oder des Befüll- und Entnahmemoduls einzugeben. Der Wasseranteil des Produkts ergibt sich beispielsweise aus einer in der Steuereinheit eingespeicherten Tabelle für verschiedene Produkte. Beispielsweise beträgt der Wasseranteil von Spinat typischerweise 93 Massen-%, von Brokkoli oder Erdbeeren ca. 90 Massen-%, für mageres Rindfleisch ca. 49 Massen-%, für mageres Schweinefleisch ca. 37 Massen-% und für Butter ca. 16 Massen-%. Die Steuereinheit errechnet aus diesen Daten einen Wert für die Wärmemenge (Enthalpie), die bei der Erwärmung um die Toleranztemperaturdifferenz vom Produkt aufgenommen wird und nicht vom Kältemittel aufgenommen zu werden braucht. Dieser Enthalpiewert entspricht also in Bezug auf den Kühlvorgang einer Äquivalenzmasse an Kältemittel und reduziert somit die Masse an Kältemittel, die dem Kühlmodul zur Bewältigung der Kühlaufgabe zugeführt werden muss (Nettomassewert) gegenüber dem Wert, der nach den oben skizzierten üblichen Verfahren ohne Berücksichtigung der Enthalpie des Produkts errechnet wird (Bruttomassenwert). Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu teilweise erheblichen Einsparungen an Kältemittel.
  • Bevorzugt handelt es sich beim Kältemittel um ein kryogenes Kältemittel, also um ein verflüssigtes oder verfestigtes Gas, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kommt als Kältemittel Kohlendioxidschnee zum Einsatz. Das Kohlendioxid wird dabei bevorzugt dem Kühlmodul im verflüssigten Zustand unter Druck bei Umgebungstemperatur zugeführt und beim Eintritt in das Kühlmodul unter Erzeugung von Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas entspannt. Der Kohlendoxidschnee wird im Kühlmodul aufgefangen und als Kältemittel genutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für andere Kältemittel, wie beispielsweise Wassereis, geeignet.
  • Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße Verfahren beim Transport von Tiefkühlprodukten zum Einsatz. Derartige Produkte, insbesondere Lebensmittel, werden in Kühlhäusern üblicherweise bei 243 K (-25°C) gelagert; eine Endtemperatur von 248 K (-20°C) ist jedoch in den meisten Fällen unkritisch. Das in den Tiefkühlprodukten enthaltene gefrorene Wasser trägt mit einer Enthalpie von 2 kJ/(kg . K) zur gesamten nutzbaren Enthalpie bei.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der ein Transportbehälter mit einem Lagerbereich für ein zu kühlendes Produkt und einem mit dem Lagerbereich thermisch verbundenen Kühlmodul ausgerüstet ist. Die Vorrichtung weist des weiteren ein mit dem Kühlmodul verbindbares Befüllmodul zum Zuführen von Kältemittel, eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Parametern wie beispielsweise Transportzeit, Masse und Art des Produkts, Toleranztemperaturdifferenz, einer in einer Steuereinheit des Befüllmoduls integrierten Datenverarbeitungseinheit zur Berechnung der Enthalpie des Wasseranteils im Produkt zwecks Ermittlung eines Nettomassenwertes an zuzuführendem Kältemittel aus eingegebenen und/oder in der Steuereinheit gespeicherten Parametern, und eine dem Befüllmodul zugeordneten, mit der Steuereinheit datenverbundenen Dosiereinheit zum Zuführen einer dem Nettomassenwert entsprechenden Menge an Kältemittel an das Kühlmodul auf. Die Datenverarbeitungseinheit, bei der es sich übrigens auch um einen Teil einer in der Steuereinheit enthaltenen Datenverarbeitungseinheit handeln kann, ermöglicht die Berücksichtigung der Enthalpie des im Produkt enthaltenen Wassers bei der Berechnung der dem Kühlmodul zuzuführenden Kältemittelmenge. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die so Menge an der zur Bewältigung der Kühlaufgabe benötigten Menge an Kältemittel weitaus besser ermittelt und dem Transportbehälter zugeführt werden, als dies nach dem Stande der Technik möglich war.
  • Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine mit der Steuereinheit datenverbundene Waage zum Ermitteln der Masse des zu transportierenden Produkts. Die Messdaten der Waage werden dabei bevorzugt automatisch an die Steuereinheit übermittelt und direkt zur Berechnung der zuzuführenden Kältemittelmenge genutzt.
  • Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt In schematischer Schnittansicht ein erfindungsgemäßes System zum Befüllen eines Transportbehälters zum Transportieren gekühlter Produkte mit einem kryogenen Kältemittel.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Transportbehälter 1 umfasst einen Lagerbereich 2 zum Lagern eines gekühlten Produkts 3 während eines Einsatzes, beispielsweise eines Transports von einem zentralen Kühlhaus an einen Abnehmer. Der Lagerbereich 2 steht über einen thermisch leitenden Boden 4 oder über eine Strömungsverbindung mit einem Kühlmodul 5, in dem ein Kältemittel, im Ausführungsbeispiel Kohlendioxidschnee 6, bevorratet wird. Die Außenwände 7 des Transportbehälters 1 sind thermisch isoliert, um einen Wärmeeintrag aus der Umgebung so weit wie möglich zu unterbinden. Vor dem Transport des Produkts im Transportbehälter 1 wird das Kühlmodul 5 in der unten näher beschriebenen Weise mit Kohlendioxidschnee 6 befüllt. Die Kühlung des Produkts während des Transports erfolgt ausschließlich aufgrund des thermischen Kontakts zwischen dem Lagerbereich 2 und dem Kühlmodul 5. In den Lagerbereich 2 eindringende Wärme gelangt über den thermisch leitenden Boden 4 in das Kühlmodul 5 und wird dort vom Kohlendioxidschnee 6 aufgenommen, wobei der Kohlendioxidschnee 6 allmählich sublimiert. Aufgrund der Sublimationsenthalpie des Kohlendioxidschnees 6 bleibt die Temperatur im Innern des Kühlmoduls 5, und damit auch innerhalb des Lagerbereiches 2, so lange weitgehend konstant, bis der Kohlendioxidschnee 6 vollständig sublimiert ist.
  • Die Befüllung des Kühlmoduls 5 mit Kohlendioxidschnee 6 erfolgt mittels eines Befüll- und Entnahmemoduls 10. Das Befüll- und Entnahmemodul 10 verfügt über eine Zuleitung 11 für flüssiges Kohlendioxid sowie über eine Ableitung 12 für gasförmiges Kohlendioxid, die beanstandet voneinander angeordnet sind. Zum Befüllen des Kühlmoduls 5 werden die Zuleitung 11 und die Ableitung 12 an entsprechenden, beabstandet voneinander angeordneten Anschlüssen 13, 14 des Kühlmoduls 5 verbunden. Beim Zuführen des unter Druck stehenden flüssigen Kohlendioxids in das Kühlmodul 5 entspannt sich das Kohlendioxid und geht teilweise in Kohlendioxidschnee und teilweise in Kohlendoxidgas über. Der Kohlendioxidschnee 6 wird mittels eines Siebes 15 im Kühlmodul zurückgehalten, während gleichzeitig das entstehende Kohlendioxidgas über den Anschluss 13 und die Ableitung 12 abgeführt bzw. abgesaugt wird.
  • Die Menge des für eine Kühlaufgabe im Kühlmodul 5 bereit zu haltenden Kohlendioxidschnees hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Neben der Dauer des Transports sind dies insbesondere die Temperatur des Produkts beim Einbringen in den Lagerbereich 2, die Umgebungstemperatur und der Wärmeeintrag durch die Außenwände 7 des Transportbehälters 1. Dem Befüll- und Entnahmemodul 10 ist eine Steuereinheit 18 zugeordnet, der aus den erforderlichen Parametern die Menge an zuzuführendem Kohlendioxid errechnet. Parameter, die nicht automatisch vom System erfasst werden können, wie beispielsweise die Transportdauer, werden über eine Eingabeeinheit 19 eingegeben, die der Steuereinheit 18 zugeordnet ist.
  • Die Steuereinheit steht mit einer Dosiereinrichtung 20 in Datenverbindung, die in der Zuleitung 11 für flüssiges Kohlendioxid angeordnet ist und die die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid durch die Zuleitung 11 sperren oder freigeben kann. Im normalen Betriebszustand ist die Dosiereinheit 20 so eingestellt, dass nur die in der Steuereinheit 18 errechnete Menge an flüssigem Kohlendioxid an das Kühlmodul 5 abgegeben wird.
  • Um die dem Kühlmodul 5 zuzuführende Menge an Kohlendioxidschnee 6 im Hinblick auf die Kühlaufgabe noch genauer bestimmen zu können, berücksichtigt ein in der Steuereinheit 18 eingegebenes Programm zusätzlich die Enthalpie des im Produkt 3 enthaltenen Wassers bzw. Wassereises. Dazu wird in der Eingabeeinheit 19 die Art des Produkts 3 eingegeben. Beispielsweise wird das Produkt 3 dabei aus einer vorgegebenen und auf einer Anzeigeeinheit der Eingabeeinheit angezeigten Liste ausgewählt.In der der Steuereinheit 18 ist bereits eine Tabelle einprogrammiert, aus der sich der spezifische Wasseranteil für ein bestimmtes Produkt ergibt. Ebenfalls eingegeben oder bereits einprogrammiert ist/wird ein Wert für eine Temperaturdifferenz um die das Produkt während des Transports maximal aufgewärmt werden darf (Toleranztemperaturdifferenz). Mittels einer Waage 21, die gleichfalls mit der Steuereinheit 18 in Datenverbindung steht, wird zugleich die Masse des Produkts 3 erfasst. Aus der Masse des Produkts 3, der Toleranztemperaturdifferenz und dem Wert für den Wasseranteil im Produkt 3 wird ein Wert für die insgesamt nutzbare Enthalpie des Wasseranteils errechnet. Eine dieser "nutzbaren Enthalpie" entsprechende Wärmeenergie muss dem Wasseranteil zugeführt werden, um diesen um die Toleranztemperaturdifferenz aufzuwärmen. Diese Wärmenergie muss somit nicht mehr vom Kältemittel aufgenommen werden, sodass die Gesamtmenge des Kältemittels, die dem Kühlmodul 5 zugeführt wird, entsprechend vermindert werden kann. Die Menge an auf diese Weise einzusparendem Kohlendioxidschnee 6 wird in der Steuereinheit aus der Sublimationsenthalpie des Kohlendioxids (573 kJ/kg) berechnet und bei der Bestimmung der dem Kühlmodul 5 zuzuführenden Menge an Kohlendioxidschnee 6 berücksichtigt. Dadurch wird über die Zuleitung 11 mittels der Dosiereinheit 20 nur eine entsprechend reduzierte Menge an Kohlendioxid dem Kühlmodul 5 zugeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich insbesondere zum Transport von temperaturempfindlichen, gekühlten Produkten aller Art, wie beispielsweise tiefgekühlte Lebensmittel, pharmazeutische Produkte oder biologische Substrate wie beispielsweise Organe oder Gewebeproben.
    • Beispiel:
  • Ein isothermer Behälter wird mit 200 kg Tiefkühlprodukt Rindfleisch mit 60% Mageranteil befüllt. Der durchschnittliche Wassergehalt eines solchen Produkts (Massenanteil) beträgt 50%. Die Produkt-Anfangstemperatur betrage im Kühlhaus minus 25°C, Die Temperatur im Behälter darf bis zum Ende des Transports nicht über minus 20°C steigen, d.h. nicht mehr als 5 K über der Temperatur im Kühlhaus.
  • Da die Enthalpie gefrorenen Wassers 2 kJ/(kg·K) beträgt, umfasst die Enthalpie des Wassers im Produkt insgesamt ca. 1000 kJ. Bei einer Sublimationsenthalpie beim Übergang gefrorenen Kohlendioxids in den gasförmigen Zustand von ΔHCO2 = 573 kJ/kg ergibt sich eine Verminderung des dem Transportcontainer zuzuführenden Menge an Kohlendioxidschnee um 1,75 kg gegenüber der Menge, die nach dem Befüllverfahren nach dem Stande der Technik zugeführt worden wäre.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Transportbehälter
    2.
    Lagerbereich
    3.
    Produkt
    4.
    Thermisch leitender Boden
    5.
    Kühlmodul
    6.
    Kohlendioxidschnee
    7.
    Außenwände
    8.
    -
    9.
    -
    10.
    Befüll- und Entnahmemodul
    11.
    Zuleitung für flüssiges Kohlendioxid
    12.
    Ableitung für gasförmiges Kohlendioxid
    13.
    Anschluss für gasförmiges Kohlendioxid
    14.
    Anschluss für flüssiges Kohlendioxid
    15.
    Sieb
    16.
    -
    17.
    -
    18.
    Steuereinheit
    19.
    Eingabeeinheit
    20.
    Dosiereinrichtung
    21.
    Waage

Claims (5)

  1. Verfahren zum Befüllen eines einem Transportbehälter (1) zum Transportieren gekühlter Produkte zugeordneten Kühlmoduls (5) mit einem Kältemittel, das beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Transportbehälters (1) mit einem in einem Lagerbereich (2) des Transportbehälters (1) gelagerten Produkt (3) in thermischem Kontakt gebracht und das Produkt (3) dabei unter Ausnutzung der Verdampfungs-, Schmelz- oder Sublimationsenthalpie des Kältemittels (6) gekühlt wird, wobei vor Beginn des Einsatzes aus der Kühldauer, der Differenz zwischen Lagertemperatur und Umgebungstemperatur während des Einsatzes sowie aus Wärmedurchgangskoeffizienten und Geometrie des Transportbehälters (1) ein Bruttomassenwert für die Menge des dem Kühlmodul (5) zuzuführenden Kältemittels (6) berechnet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vor Beginn des Einsatzes die Masse des im Lagerbereich (2) gelagerten Produkts (3) bestimmt wird,
    aus der Masse und dem spezifischen Wasseranteil des gelagerten Produkts (3) ein Wert für die Gesamtmasse an Wasser im Produkt (3) errechnet wird,
    aus der Gesamtmasse an Wasser im Produkt (3) und einer Toleranztemperaturdifferenz ein Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser im Produkt (3) um die Toleranztemperaturdifferenz bestimmt wird,
    der Enthalpiewert für die Erwärmung der Gesamtmasse an Wasser mit der Sublimationsenthalpie des Kältemittels (6) zur Berechnung eines Äquivalenzmassenwertes an Kältemittel (6) in Beziehung gebracht wird,
    der Äquivalenzmassenwert von dem berechneten Bruttomassenwert für das dem Kühlmodul (5) zuzuführenden Kältemittel (6) in Abzug gebracht und auf diese Weise ein Nettomassenwert an Kältemittel (6) ermittelt wird und dem Kühlmodul (5) eine dem Nettomassenwert entsprechende Masse an Kältemittel (6) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel ein kryogenes Kältemittel, insbesondere Kohlendioxidschnee (6) zum Einsatz kommt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens beim Transport von Tiefkühlprodukten.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem einen Lagerbereich (2) und ein mit diesem thermisch verbundenes Kühlmodul (5) aufweisenden Transportbehälter (1), einem mit dem Kühlmodul (5) verbindbares Befüllmodul (10) zum Zuführen eines kryogenen Kältemittels (6), einer Eingabeeinheit (19) zur Eingabe von Parametern wie Transportzeit, Masse und Art des Produkts (3) oder Toleranztemperaturdifferenz, einer in einer Steuereinheit (18) des Befüllmoduls (10) integrierten Datenverarbeitungseinheit zur Berechnung der Enthalpie des Wasseranteils des Produkts zwecks Ermittlung eines Nettomassenwertes an zuzuführendem Kältemittel (6) aus eingegebenen und/oder in der Steuereinheit (18) gespeicherten Parametern, und einer dem Befüllmodul (10) zugeordneten, mit der Steuereinheit (18) datenverbundenen Dosiereinheit (20) zum Zuführen einer dem Nettomassenwert entsprechenden Menge an Kältemittel (6) an das Kühlmodul (5).
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit der Steuereinheit datenverbundene Waage (21) zum Ermitteln der Masse des zu transportierenden Produkts.
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