EP3550225A1 - Device for cooling products - Google Patents
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Classifications
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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
- F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
-
- 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
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/02—Centrifugal separation of gas, liquid or oil
Definitions
- the invention relates to a device for cooling products, comprising a cyclone having a housing with a circular cylindrical rear portion and an adjoining, conically shaped front portion, wherein on the front portion opposite the upper end side of the rear portion of a lid with a concentrically passed therethrough , in the interior of the cyclone spaced from the lid with a circular gas outlet opening opening gas discharge line is arranged with a connected to a supply line for a cryogenic refrigerant supply nozzle, which opens tangentially into the rear portion m area of the upper end side, and with at least one opening into the rear portion supply line for a product to be cooled.
- liquid cryogenics are understood as meaning liquid, solid or gaseous media which have a temperature of -20 ° C. and below on contact with the product to be cooled.
- the cryogenic refrigerant is a liquified gas, such as liquid nitrogen, or carbon dioxide in solid or liquid form.
- a device in which a cooled to be pumped product and a cryogenic refrigerant, such as liquid nitrogen, liquid carbon dioxide, liquid argon or liquid air, in a vortex worm cooler in contact and intimately mixed.
- a cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen, liquid carbon dioxide, liquid argon or liquid air
- the mixture is then fed to a separator at which the evaporated cryogenic refrigerant is withdrawn.
- the cooled product is then ready for further processing or packaging.
- a device for cooling liquid products in which in a container filled with the product to be cooled, a cryogenic refrigerant, for example, liquid nitrogen or liquid carbon dioxide is introduced.
- the refrigerant vaporizes upon thermal contact with the product and is withdrawn at a headspace of the container. After the cooling process, the cooled product is removed via a line branching off from the bottom of the container.
- the WO 2016/060869 A1 relates to a device for cooling liquid foods, such as sauces.
- the product is passed through a pipeline into which a cryogenic refrigerant, such as liquid nitrogen, is introduced at one or more locations.
- a cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen
- the device described is quite complex in construction, especially since the evaporation of strongly expanding refrigerant requires a pressure-stable design of the pipeline.
- the invention is therefore based on the object to provide an efficient and easy-to-use way to cool flowable, especially liquid or powdery products.
- a device of the type and purpose mentioned above is thus according to the invention characterized in that the outlet opening of the front portion is fluidly connected to a product discharge for cooled product, are arranged in the means for establishing a counter-pressure to the flow pressure of the effluent product through the discharge product counteracting.
- the device according to the invention thus comprises a cyclone whose housing has, in a manner known per se, a cylindrical rear section and an adjoining, conically formed front section, which opens into an outlet opening.
- a gas outlet opening out gas outlet line also called dip tube
- the cyclone is usually vertical, wherein the outlet opening of the front portion is directed downwards and the gas outlet opening upwards.
- a supply line for supplying a product to be cooled opens into the rear section.
- the supply line for the product opens substantially perpendicular or at an acute angle to the flow direction of the refrigerant in the rear portion and spaced from the nozzle opening of the Supply line for the refrigerant.
- they can be equipped with a - for example electric - heater.
- the means for building up a counter-pressure may include flow resistances within the product discharge, such as, for example, a diaphragm or other constriction of the free flow cross-section.
- they comprise a throttle valve, by means of which a specific counterpressure to be achieved can be set. This embodiment is particularly recommended when different products are to be cooled in the device and a certain cooling capacity, depending on the nature and properties of the product, such as temperature or viscosity and / or the temperature to be set is required.
- the throttle valve may also be controllably configured and during the cooling process, a back pressure in response to a measured parameter, such as the output side temperature of the product, regulated.
- the means for establishing the back pressure comprise a section of the product outlet, which is designed in the manner of a siphon and comprises at least one geodetically upwardly extending line section.
- a section consisting of cooled product is formed in the line section extending vertically upwards Column whose weight (for liquid products: hydrostatic pressure) acts as a back pressure against the flow pressure at the outlet of the cyclone.
- the means for building a back pressure can also be combined with each other, so for example, a diaphragm or a throttle valve in the product supply line with a vertically upwardly extending line section.
- a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supply line for the product to be cooled opens into the rear section in such a way that a product stream flowing out of it is directed into the flow of the refrigerant introduced at the feed nozzle. As a result, an intimate mixing of product and refrigerant is effected immediately after the product has been introduced.
- the entry of the product preferably takes place via a supply line which leads in perpendicular to the refrigerant flow and which is guided, for example, through the cover of the rear section and runs at least with its end section substantially parallel to a longitudinal axis of the cyclone.
- the product is thus entered in this case substantially perpendicular to the flow direction of the refrigerant in the cyclone.
- the supply line for the product can also open at an acute angle in the rear section, each with a directional component parallel and perpendicular to the refrigerant flow.
- the supply line for the product can also be equipped with a spray nozzle on the outlet side.
- the supply line for the product does not open directly in front of the feed nozzle for the refrigerant in the rear portion, but axially spaced from this.
- the feed line for the product preferably flows into the rear section 1 cm to 10 cm in front of the feed nozzle, more preferably 2 cm to 5 cm.
- the product flow in this embodiment meets an already broadened refrigerant flow and is entrained by this.
- the object of the invention is also provided with a method for cooling products, using a device according to the invention, with the Characteristics of claim 7 solved.
- a cryogenic refrigerant is introduced into the cyclone at a feed nozzle opening into the rear section of a cyclone.
- a product to be cooled is supplied in a directed to the flow of the refrigerant introduced product flow.
- the mixture of refrigerant and product is separated in the cyclone, wherein the product is discharged via a product discharge, which opens out of a conically shaped front section adjoining the rear section. Evaporated refrigerant is removed via a gas discharge line in the rear section of the cyclone.
- a back pressure which counteracts the flow pressure of the outflowing product is produced downstream of the product outlet in the product outlet.
- the back pressure is adjusted by suitable means to a predetermined value or regulated in dependence on a measured value.
- suitable means for example, a throttle valve or a bottleneck in the product discharge or the maintenance of a liquid column, against the hydrostatic pressure, the outflow of the cooled product has to be made, are used.
- the counter-pressure By means of the counter-pressure, the flow conditions inside the cyclone are changed in such a way that there is a longer contact time of product and refrigerant and thus more efficient cooling of the product.
- the backpressure is adjusted to a value of 0.03 to 0.2 bar, more preferably to a value between 0.05 and 0.1 bar.
- a cryogenic refrigerant is preferably liquid nitrogen or liquid carbon dioxide, which relaxes when entering the cyclone to a mixture of gaseous and solid carbon dioxide used.
- the inventive method and the device according to the invention is suitable for cooling liquid, fluidized or powdery product.
- the device according to the invention is used for cooling food products based on fat or water, in particular liquid food products, such as sauces, soups or juices, with or without solid constituents.
- the product can then be subjected to further processing steps or a Packaging unit to be supplied.
- gaseous refrigerant such as carbon dioxide gas is withdrawn from the gas discharge line and can be used, for example, for pre-cooling of the cyclone supplied refrigerant.
- the rear portion of the cyclone of a device according to the invention have a tube diameter of for example 250 mm to 300 mm.
- an aqueous product is introduced at a flow rate of between 2.5 m 3 / h.
- liquid carbon dioxide is added as a refrigerant with a flow rate of 1.2 t / h.
- a back pressure between 0.05 bar and 0.1 bar is generated.
- the product withdrawn at the outlet of the product discharge has a temperature which is up to 40 ° C lower than the temperature of the product supplied.
- the apparatus 1 shown in the drawings for cooling products comprises a cyclone 2, the housing in a conventional manner has a rear portion 3 with circular cylindrical cross-section with radius Rz and an adjoining, conically shaped front portion 4, in an outlet opening 5 with Radius Rp discharges.
- the cyclone 2 is made of a poor thermal conductivity material, such as stainless steel or titanium, and moreover, not shown here, be equipped with a thermally insulating sheath.
- the rear section 3 On its front side opposite the front section 4, the rear section 3 is closed with a cover 6.
- a cylindrical gas exhaust pipe 7 with inner radius R G which is connected in a manner not shown here to a gas discharge line is passed through the lid 6 in the middle, whereby there is an annular space 8 of the width B R between the outer wall of the gas exhaust pipe 7 and the inner wall of the rear portion 3.
- the gas exhaust pipe 7 is led deep into the interior of the cyclone 2 and ends with a gas outlet opening 11 approximately at the level of the plane 12 of the transition between the rear section 3 and front section 4 of the cyclone 2.
- the rear section 3, the front section 4 and the gas exhaust pipe 7 are along a arranged common vertical axis 9, wherein the outlet opening 5 are arranged below and the gas exhaust pipe 7 at the top of the cyclone 2.
- the radius Rz is between 10 cm and 15 cm, the radius R G between 5 cm and 10 cm and the radius R P between 5 cm and 10 cm.
- a feed nozzle 14 for a cryogenic refrigerant which is flow-connected via a feed line 15 with a source not shown here for a cryogenic refrigerant.
- the source is, for example, a tank for cryogenic liquefied nitrogen or for liquefied carbon dioxide.
- An end portion of the supply line 15, at the front end of which the feed nozzle 14 is located, is disposed within a tangential feed section 16 of the cyclone 2 and axially thereto.
- a flange connection 17 ensures a gastight connection between feed line 15 and feed section 16.
- a product supply line 18 is provided which opens at an outlet opening 19 in the lid 6 perpendicular or obliquely, with an additional tangential direction component, in the rear portion 3.
- the outlet opening 19 is arranged so that it is aligned with the end portion of the supply line 15 and at a distance D, for example, 2 cm to 5 cm axially spaced in front of the feed nozzle 14 opens.
- a product outlet 20 for discharging cooled product Adjoining the outlet opening 5 of the front section 4 is a product outlet 20 for discharging cooled product, which in the exemplary embodiment shown here has a cross-sectional radius R P throughout which corresponds to the radius of the outlet opening 5 of the cyclone.
- the product outlet 20 has the manner of a siphon on a U-shaped line section, which in use of the device 1 with a manifold 21 geodetically down and with his Legs 22, 23 is directed upward, wherein the leg 22 connects directly to the outlet opening 5.
- Manifold 21 and legs 22, 23 of the U-shaped line section dimensioned so that in it a liquid column of height H, for example, 500 mm to 800 mm can be maintained.
- a cryogenic refrigerant for example pressure-liquefied carbon dioxide
- a pressure of more than 5.18 bar (abs.) For example a pressure between 18 and 20 bar (abs.)
- the carbon dioxide expands to form a stream of carbon dioxide gas and carbon dioxide snow which flows tangentially into the annulus 8 between the inner wall of the rear portion 3 and the outer wall of the gas exhaust pipe 7 and is forced thereon on a helical path 25 descending toward the front portion.
- another cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen may also be used.
- a liquid product to be cooled is supplied via the product supply line 18.
- the product mixes in front of the orifice 19 intimately with the registered from the feed nozzle 14 refrigerant and is entrained by the flow.
- the refrigerant absorbs heat from the product and evaporates or sublimes at least partially, whereby the product cools.
- the spiral-shaped path 25 of the vaporized refrigerant at the level of the gas outlet opening 11 transforms into a spiral path ascending within the gas exhaust pipe 7.
- the gaseous refrigerant escaping at the gas outlet pipe 7 is then preferably collected and used, for example, for pre-cooling the supplied refrigerant in the supply line 15. Due to the circular flows inside the cyclone 2, the liquid droplets or particles of the product are thrown at the latest after a few revolutions due to the centrifugal force to the inner wall of the conical front section 4 and braked so far that they detach from the flow and down in the direction of the outlet opening. 5 to run. The Liquid product is then removed via the U-shaped line section of the product outlet 20.
- the supply and expansion of the refrigerant in the cyclone 2 leads to a strong flow pressure of the product towards the Marinaus effet 20.
- the product When flowing through the Artsaus effet 20, however, the product must the leg 23 of the U-shaped line section and thus a height H corresponding hydrostatic pressure overcome, which acts as a counterpressure to the flow of the product.
- the backpressure of, for example, 0.05 bar to 0.08 bar leads to a longer average contact time of the liquid droplets of the product with the refrigerant and thus to a much greater cooling of the product compared to a direct downward led discharge.
- the device 1 according to the invention is equally suitable for cooling a pulverulent product.
Abstract
Eine Vorrichtung zum Kühlen von Produkten umfasst einen Zyklon (2), dessen Gehäuse einen kreiszylinderförmigen Hinterabschnitt (3) und einen sich daran anschließenden, konisch zugeformten Vorderabschnitt (4) aufweist, der in einer Austrittsöffnung (5) ausmündet. Am Hinterabschnitt (3) ist ein Deckel (6) mit einer durch diesen konzentrisch hindurchgeführten, im Innern des Zyklons (2) ausmündenden Gasabzugsleitung (7), eine tangential in den Hinterabschnitt (3) einmündende Zuleitung für ein kryogenes Kältemittel und Zuleitung (18) für ein zu kühlendes Produkt vorgesehen.Um die Effizienz des Kühlvorgangs zu verbessern, ist erfindungsgemäß eine sich an die Austrittsöffnung (5) des Vorderabschnitts (4) anschließende Produktausleitung (20) vorgesehen, in der Mittel (21, 22, 23) zum Aufbau eines Gegendrucks gegen den im Zyklon (2) erzeugten Strömungsdruck des abströmenden Produkts angeordnet sind.A device for cooling products comprises a cyclone (2), the housing of which has a circular cylindrical rear section (3) and an adjoining, conically shaped front section (4), which opens into an outlet opening (5). At the rear section (3) there is a cover (6) with a gas discharge line (7) which runs concentrically through it and which opens out inside the cyclone (2), a supply line for a cryogenic refrigerant and supply line (18) which opens tangentially into the rear section (3). In order to improve the efficiency of the cooling process, according to the invention a product discharge (20) is provided which adjoins the outlet opening (5) of the front section (4) and in which means (21, 22, 23) for building up a Back pressure against the flow pressure of the outflowing product generated in the cyclone (2) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Produkten, mit einem Zyklon, der ein Gehäuse mit einem kreiszylinderförmigen Hinterabschnitt und einen sich daran anschließenden, konisch zugeformten Vorderabschnitt aufweist, wobei auf der vom Vorderabschnitt entgegengesetzten oberen Stirnseite des Hinterabschnitts ein Deckel mit einer durch diesen konzentrisch hindurchgeführten, im Innern des Zyklons beabstandet vom Deckel mit einer kreisförmigen Gasaustrittsöffnung ausmündenden Gasabzugsleitung angeordnet ist, mit einer an einer Zuleitung für ein kryogenes Kältemittel angeschlossenen Zuführungsdüse, die tangential in den Hinterabschnitt m Bereich der oberen Stirnseite einmündet, und mit mindestens einer in den Hinterabschnitt einmündenden Zuleitung für ein zu kühlendes Produkt.The invention relates to a device for cooling products, comprising a cyclone having a housing with a circular cylindrical rear portion and an adjoining, conically shaped front portion, wherein on the front portion opposite the upper end side of the rear portion of a lid with a concentrically passed therethrough , in the interior of the cyclone spaced from the lid with a circular gas outlet opening opening gas discharge line is arranged with a connected to a supply line for a cryogenic refrigerant supply nozzle, which opens tangentially into the rear portion m area of the upper end side, and with at least one opening into the rear portion supply line for a product to be cooled.
Flüssige, pastöse oder pulverförmige Produkte, insbesondere Lebensmittel, wie Kuchenfüllungen, Soßen und Marinaden, die bei hohen Temperaturen hergestellt werden, müssen häufig nach ihrer Herstellung schnell gekühlt werden, um beispielsweise die innere Struktur des Produkts zu erhalten oder einem Bakterienwachstum entgegenzuwirken. Eine Kühlung kann beispielsweise mittels elektrisch betriebener, konventioneller Kühlaggregate erfolgen, jedoch ist dies mit einem erheblichen Energieeinsatz verbunden. Als Alternative bietet sich der direkte Kontakt des zu kühlenden Produkts mit einem kryogenen Kältemittel an. Das Kältemittel nimmt einen Teil der Wärme des Produkts auf und verdampft oder sublimiert dabei rückstandsfrei.Liquid, pasty or powdered products, especially foods such as cake fillings, sauces and marinades, which are prepared at high temperatures often need to be rapidly cooled after their preparation, for example to preserve the internal structure of the product or counteract bacterial growth. Cooling can be done for example by means of electrically operated, conventional cooling units, but this is associated with a considerable use of energy. Alternatively, direct contact of the product to be cooled with a cryogenic refrigerant is recommended. The refrigerant absorbs part of the heat of the product and evaporates or sublimates without residue.
Als "kryogene Kältemittel" werden im Folgenden solche flüssigen, festen oder gasförmigen Medien verstanden, die beim Kontakt mit dem zu kühlenden Produkt eine Temperatur von -20°C und darunter aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei dem kryogenen Kältemittel um ein verflüssigtes Gas, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, oder um Kohlendioxid in fester oder flüssiger Form.In the following, "liquid cryogenics" are understood as meaning liquid, solid or gaseous media which have a temperature of -20 ° C. and below on contact with the product to be cooled. In particular, the cryogenic refrigerant is a liquified gas, such as liquid nitrogen, or carbon dioxide in solid or liquid form.
Bei Verwendung von Kohlendioxid als kryogenem Kältemittel wird dieses üblicherweise in flüssiger Form unter einem Druck von über 5,18 bar abs. herangeführt und an einer Düse, der sogenannten Entspannungsdüse, auf Atmosphärendruck (1 bar) entspannt. Dabei kühlt sich das Kohlendioxid auf eine Temperatur von minus 78,9°C (194 K) ab, wobei ein Gemisch aus Kohlendioxidschnee und kaltem Kohlendioxidgas entsteht. Zumindest die Kohlendioxidpartikel werden anschließend zum Kühlen von Produkten eingesetzt und beispielsweise auf die Oberfläche eines zu kühlenden Produkts aufgetragen oder - im Falle eines flüssigen, pastösen oder pulvrigen Produkts - in das Produkt eingemischt.When using carbon dioxide as a cryogenic refrigerant this is usually in liquid form under a pressure of about 5.18 bar abs. introduced and relaxed at a nozzle, the so-called expansion nozzle to atmospheric pressure (1 bar). The carbon dioxide cools to a Temperature of minus 78.9 ° C (194 K), resulting in a mixture of carbon dioxide snow and cold carbon dioxide gas. At least the carbon dioxide particles are then used to cool products and, for example, applied to the surface of a product to be cooled or, in the case of a liquid, pasty or powdery product, mixed into the product.
Aus der
Aus der
Die
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine effiziente und einfach zu handhabende Möglichkeit zum Kühlen von fließfähigen, insbesondere flüssigen oder pulverförmigen Produkten anzugeben.The invention is therefore based on the object to provide an efficient and easy-to-use way to cool flowable, especially liquid or powdery products.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and by a method using a device according to the invention having the features of
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung des Vorderabschnitts mit einer Produktausleitung für gekühltes Produkt strömungsverbunden ist, in der Mittel zum Aufbau eines dem Strömungsdruck des durch die Produktausleitung abströmenden Produkts entgegen wirkenden Gegendrucks angeordnet sind.A device of the type and purpose mentioned above is thus according to the invention characterized in that the outlet opening of the front portion is fluidly connected to a product discharge for cooled product, are arranged in the means for establishing a counter-pressure to the flow pressure of the effluent product through the discharge product counteracting.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also einen Zyklon, dessen Gehäuse in an sich bekannter Weise einen zylinderförmigen Hinterabschnitt und einen sich daran anschließenden, konisch zugeformten Vorderabschnitt aufweist, der in eine Austrittsöffnung ausmündet. Auf der vom Vorderabschnitt entgegengesetzten Stirnseite des Hinterabschnitts ist ein Deckel mit einer durch diesen hindurchgeführten, im Innern des Zyklons beabstandet vom Deckel mit einer Gasaustrittsöffnung ausmündenden Gasabzugsleitung (auch Tauchrohr genannt) angeordnet. Der Zyklon steht üblicherweise senkrecht, wobei die Austrittsöffnung des Vorderabschnitts nach unten und die Gasaustrittsöffnung nach oben gerichtet ist. In den Hinterabschnitt des Zyklons mündet tangential eine Zuleitung für ein Kältemittel ein, die mit einer stirnseitigen Düsenöffnung ausgerüstet ist. Des Weiteren mündet in den Hinterabschnitt eine Zuleitung zum Zuführen eines zu kühlenden Produkts ein. Beispielsweise mündet die Zuleitung für das Produkt im wesentlichen senkrecht oder in einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung des Kältemittels in den Hinterabschnitt und beabstandet von der Düsenöffnung der Zuleitung für das Kältemittel ein. Um ein Anfrieren des Produkts an den Wänden des Zyklons zu vermeiden, können diese mit einer - beispielsweise elektrischen - Heizeinrichtung ausgerüstet sein.The device according to the invention thus comprises a cyclone whose housing has, in a manner known per se, a cylindrical rear section and an adjoining, conically formed front section, which opens into an outlet opening. On the opposite side of the front portion of the rear portion of a lid with a guided through this, spaced inside the cyclone from the lid with a gas outlet opening out gas outlet line (also called dip tube) is arranged. The cyclone is usually vertical, wherein the outlet opening of the front portion is directed downwards and the gas outlet opening upwards. In the rear section of the cyclone opens tangentially a supply line for a refrigerant, which is equipped with an end nozzle opening. Furthermore, a supply line for supplying a product to be cooled opens into the rear section. For example, the supply line for the product opens substantially perpendicular or at an acute angle to the flow direction of the refrigerant in the rear portion and spaced from the nozzle opening of the Supply line for the refrigerant. To avoid freezing of the product on the walls of the cyclone, they can be equipped with a - for example electric - heater.
Im Einsatz der Vorrichtung wird im Zyklon aufgrund der Zuführung des Kältemittels und dessen Entspannung und/oder Verdampfung ein erheblicher Strömungsdruck in Richtung auf die Austrittsöffnung des Vorderabschnitts ausgeübt. Überraschend hat sich nun herausgestellt, dass eine besonders effiziente Abkühlung des Produkts dann erzielt werden kann, wenn gegen diesen Strömungsdruck ein gewisser Gegendruck aufgebaut wird. Die Ursache für die Steigerung der Kühlleistung ist nicht restlos geklärt, möglicherweise führt der Gegendruck zu einer längeren Verweildauer des Produkts im Zyklon und damit zu einer längeren Kontaktzeit mit dem kryogenen Kältemittel. Die Erfindung sieht daher vor, dass in einer sich an die Austrittsöffnung anschließenden Produktausleitung Mittel zum Erzeugen eines solchen Gegendrucks angeordnet sind.In use of the device, a considerable flow pressure is exerted in the direction of the outlet opening of the front section in the cyclone due to the supply of the refrigerant and its relaxation and / or evaporation. Surprisingly, it has now been found that a particularly efficient cooling of the product can be achieved if a certain backpressure is built up against this flow pressure. The reason for the increase in cooling capacity is not completely clear, possibly the back pressure leads to a longer residence time of the product in the cyclone and thus to a longer contact time with the cryogenic refrigerant. The invention therefore provides that means for generating such a counterpressure are arranged in a product outlet adjoining the outlet opening.
Die Mittel zum Aufbau eines Gegendrucks können dabei Strömungswiderstände innerhalb der Produktausleitung, wie beispielsweise eine Blende oder sonstige Verengung des freien Strömungsquerschnitts, umfassen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen sie ein Drosselventil, mittels dem ein bestimmter zu erzielender Gegendruck eingestellt werden kann. Diese Ausgestaltung empfiehlt sich insbesondere dann, wenn in der Vorrichtung verschiedene Produkte zu kühlen sind und eine bestimmte Kühlleistung, abhängig von Art und Eigenschaften des Produkts, wie beispielsweise Temperatur oder Viskosität und/oder der einzustellenden Temperatur gefordert ist. Das Drosselventil kann auch regelbar ausgestaltet sein und während des Kühlvorgangs einen Gegendruck in Abhängigkeit von einem gemessenen Parameter, wie beispielsweise der ausgangsseitigen Temperatur des Produkts, geregelt werden.The means for building up a counter-pressure may include flow resistances within the product discharge, such as, for example, a diaphragm or other constriction of the free flow cross-section. In an advantageous embodiment, they comprise a throttle valve, by means of which a specific counterpressure to be achieved can be set. This embodiment is particularly recommended when different products are to be cooled in the device and a certain cooling capacity, depending on the nature and properties of the product, such as temperature or viscosity and / or the temperature to be set is required. The throttle valve may also be controllably configured and during the cooling process, a back pressure in response to a measured parameter, such as the output side temperature of the product, regulated.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Mittel zum Aufbau des Gegendrucks einen Abschnitt der Produktausleitung, die nach Art eines Siphons ausgebildet ist und zumindest einen geodätisch nach oben verlaufenden Leitungsabschnitt umfasst. Im Betrieb der Vorrichtung bildet sich in dem senkrecht nach oben verlaufenden Leitungsabschnitt eine aus gekühltem Produkt bestehende Säule aus, deren Gewicht (bei flüssigen Produkten: hydrostatischer Druck) als Gegendruck gegen den Strömungsdruck an der Austrittsöffnung des Zyklons wirkt. Selbstverständlich können die Mittel zum Aufbau eines Gegendrucks auch miteinander kombiniert werden, also beispielsweise eine Blende oder ein Drosselventil in der Produktzuleitung mit einem senkrecht nach oben verlaufenden Leitungsabschnitt.In another advantageous embodiment, the means for establishing the back pressure comprise a section of the product outlet, which is designed in the manner of a siphon and comprises at least one geodetically upwardly extending line section. During operation of the device, a section consisting of cooled product is formed in the line section extending vertically upwards Column whose weight (for liquid products: hydrostatic pressure) acts as a back pressure against the flow pressure at the outlet of the cyclone. Of course, the means for building a back pressure can also be combined with each other, so for example, a diaphragm or a throttle valve in the product supply line with a vertically upwardly extending line section.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor dass die Zuleitung für das zu kühlende Produkt derart in den Hinterabschnitt einmündet, dass ein aus ihr entströmender Produktstrom in den Strom des an der Zuführungsdüse eingetragenen Kältemittels gerichtet ist. Dadurch wird bereits unmittelbar nach der Zuführung des Produkts eine innige Durchmischung von Produkt und Kältemittel bewirkt.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supply line for the product to be cooled opens into the rear section in such a way that a product stream flowing out of it is directed into the flow of the refrigerant introduced at the feed nozzle. As a result, an intimate mixing of product and refrigerant is effected immediately after the product has been introduced.
Bevorzugt erfolgt dabei der Eintrag des Produkts über eine senkrecht zum Kältemittelstrom einmündende Zuleitung, die beispielsweise durch den Deckel des Hinterabschnitts geführt ist und zumindest mit ihrem Endabschnitt im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Zyklons verläuft. Das Produkt wird in diesem Fall also im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Kältemittels in den Zyklon eingetragen. Die Zuleitung für das Produkt kann jedoch auch in einem spitzen Winkel in den Hinterabschnitt einmünden, mit jeweils einer Richtungskomponente parallel und senkrecht zum Kältemittelstrom. Im Übrigen kann die Zuleitung für das Produkt mündungsseitig auch mit einer Sprühdüse ausgerüstet sein.The entry of the product preferably takes place via a supply line which leads in perpendicular to the refrigerant flow and which is guided, for example, through the cover of the rear section and runs at least with its end section substantially parallel to a longitudinal axis of the cyclone. The product is thus entered in this case substantially perpendicular to the flow direction of the refrigerant in the cyclone. However, the supply line for the product can also open at an acute angle in the rear section, each with a directional component parallel and perpendicular to the refrigerant flow. Incidentally, the supply line for the product can also be equipped with a spray nozzle on the outlet side.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet die Zuleitung für das Produkt nicht unmittelbar vor der Zuführungsdüse für das Kältemittel in den Hinterabschnitt aus, sondern axial beabstandet zu dieser. Bevorzugt mündet die Zuleitung für das Produkt 1 cm bis 10 cm vor der Zuführungsdüse in den Hinterabschnitt ein, besonders bevorzugt 2 cm bis 5 cm. Der Produktstrom trifft bei dieser Ausgestaltung auf einen bereits verbreiterten Kältemittelstrom und wird von diesem mitgerissen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the supply line for the product does not open directly in front of the feed nozzle for the refrigerant in the rear portion, but axially spaced from this. The feed line for the product preferably flows into the rear section 1 cm to 10 cm in front of the feed nozzle, more preferably 2 cm to 5 cm. The product flow in this embodiment meets an already broadened refrigerant flow and is entrained by this.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren zum Kühlen von Produkten, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Dabei wird an einer in den Hinterabschnitt eines Zyklons einmündenden Zuführungsdüse tangential ein kryogenes Kältemittel in den Zyklon eingetragen. Gleichzeitig wird ein zu kühlendes Produkt in einem auf den Strom des eingetragenen Kältemittels gerichteten Produktstrom zugeführt. Das Gemisch aus Kältemittel und Produkt wird im Zyklon getrennt, wobei das Produkt über eine Produktausleitung, die aus einem sich an den Hinterabschnitt anschließenden konisch zugeformten Vorderabschnitt ausmündet, abgeführt wird. Verdampftes Kältemittel wird über eine Gasabzugsleitung im Hinterabschnitt des Zyklons abgeführt.The object of the invention is also provided with a method for cooling products, using a device according to the invention, with the Characteristics of
Erfindungsgemäß wird in der Produktausleitung abströmseitig ein dem Strömungsdruck des abströmenden Produkts entgegenwirkender Gegendruck erzeugt. Der Gegendruck wird mittels geeigneter Mittel auf einen vorgegebenen Wert eingestellt oder in Abhängigkeit von einem gemessenen Wert geregelt. Als Mittel kann beispielsweise ein Drosselventil oder eine Engstelle in der Produktausleitung oder die Aufrechterhaltung einer Flüssigkeitssäule, gegen deren hydrostatischem Druck das Abströmen des gekühlten Produkts zu erfolgen hat, zum Einsatz kommen. Durch das Anlagen des Gegendrucks werden die Strömungsverhältnisse im Innern des Zyklons derart verändert, dass es zu einer längeren Kontaktzeit von Produkt und Kältemittel und damit zu einer effizienteren Kühlung des Produkts kommt.According to the invention, a back pressure which counteracts the flow pressure of the outflowing product is produced downstream of the product outlet in the product outlet. The back pressure is adjusted by suitable means to a predetermined value or regulated in dependence on a measured value. As a means, for example, a throttle valve or a bottleneck in the product discharge or the maintenance of a liquid column, against the hydrostatic pressure, the outflow of the cooled product has to be made, are used. By means of the counter-pressure, the flow conditions inside the cyclone are changed in such a way that there is a longer contact time of product and refrigerant and thus more efficient cooling of the product.
Bevorzugt wird der Gegendruck auf einen Wert von 0,03 bis 0,2 bar, besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen 0,05 und 0,1 bar eingestellt. Als kryogenes Kältemittel kommt bevorzugt flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid, das beim Eintritt in den Zyklon zu einem Gemisch aus gasförmigem und festem Kohlendioxid entspannt, zum Einsatz.Preferably, the backpressure is adjusted to a value of 0.03 to 0.2 bar, more preferably to a value between 0.05 and 0.1 bar. As a cryogenic refrigerant is preferably liquid nitrogen or liquid carbon dioxide, which relaxes when entering the cyclone to a mixture of gaseous and solid carbon dioxide used.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kühlung flüssiger, fluidisierter oder pulverförmiger Produkt geeignet. Insbesondere wird die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Kühlung von Lebensmittelprodukten auf Fett- oder Wasserbasis, insbesondere flüssiger Lebensmittelprodukte, wie beispielsweise Soßen, Suppen oder Säfte, mit oder ohne feste Bestandteile, eingesetzt. Nach der Kühlung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Produkt anschließend weiteren Verarbeitungsschritten oder einer Verpackungseinheit zugeführt werden. Das beim Kühlvorgang entstehende gasförmige Kältemittel, beispielsweise Kohlendioxidgas, wird an der Gasabzugsleitung abgezogen und kann beispielsweise auch zur Vorkühlung des dem Zyklon zugeführten Kältemittels eingesetzt werden.The inventive method and the device according to the invention is suitable for cooling liquid, fluidized or powdery product. In particular, the device according to the invention is used for cooling food products based on fat or water, in particular liquid food products, such as sauces, soups or juices, with or without solid constituents. After cooling in the device according to the invention, the product can then be subjected to further processing steps or a Packaging unit to be supplied. The resulting during the cooling process gaseous refrigerant, such as carbon dioxide gas is withdrawn from the gas discharge line and can be used, for example, for pre-cooling of the cyclone supplied refrigerant.
Der Hinterabschnitt des Zyklons einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besitze einen Rohrdurchmesser von beispielsweise 250 mm bis 300 mm. In den Hinterabschnitt wird ein wässeriges Produkt mit einem Mengenstrom zwischen 2,5 m3/h eingetragen. Gleichzeitig wird flüssiges Kohlendioxid als Kältemittel mit einem Mengenstrom von 1,2 t/h eingetragen. In der Produktausleitung wird beispielsweise mittels eines Drosselventils ein Gegendruck zwischen 0,05 bar und 0,1 bar erzeugt. Das am Ausgang der Produktausleitung entnommene Produkt besitzt eine Temperatur, die um bis zu 40°C niedriger ist als die Temperatur des zugeführten Produkts.The rear portion of the cyclone of a device according to the invention have a tube diameter of for example 250 mm to 300 mm. In the rear section, an aqueous product is introduced at a flow rate of between 2.5 m 3 / h. At the same time liquid carbon dioxide is added as a refrigerant with a flow rate of 1.2 t / h. In the product discharge, for example, by means of a throttle valve, a back pressure between 0.05 bar and 0.1 bar is generated. The product withdrawn at the outlet of the product discharge has a temperature which is up to 40 ° C lower than the temperature of the product supplied.
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
-
Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht längs der Linie I-I inFig. 2 , -
Fig. 2 : Die Vorrichtung ausFig. 1 in einer Schnittansicht längs der Linie II-II inFig. 1 ,
-
Fig. 1 A device according to the invention in a sectional view along the line II in FIGFig. 2 . -
Fig. 2 : The device offFig. 1 in a sectional view taken along the line II-II inFig. 1 .
Die in den Zeichnungen gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen von Produkten umfasst einen Zyklon 2, dessen Gehäuse in an sich bekannter Weise einen Hinterabschnitt 3 mit kreiszylinderförmigem Querschnitt mit Radius Rz und einen sich daran anschließenden, konisch zugeformten Vorderabschnitt 4 aufweist, der in einer Austrittsöffnung 5 mit Radius Rp ausmündet. Der Zyklon 2 ist aus einem schlecht wärmeleitenden Material, wie Edelstahl oder Titan, gefertigt und kann überdies, hier nicht gezeigt, mit einer thermisch isolierenden Hülle ausgerüstet sein.The apparatus 1 shown in the drawings for cooling products comprises a
Auf seiner dem Vorderabschnitt 4 entgegengesetzten Stirnseite ist der Hinterabschnitt 3 mit einem Deckel 6 abgeschlossen. Eine zylinderförmige Gasabzugsrohr 7 mit Innenradius RG, das in hier nicht gezeigter Weise an einer Gasabzugsleitung angeschlossen ist, ist durch den Deckel 6 mittig hindurchgeführt, wodurch zwischen der Außenwand des Gasabzugsrohrs 7 und der Innenwand des Hinterabschnitts 3 ein Ringraum 8 der Breite BR besteht. Das Gasabzugsrohr 7 ist tief in das Innere des Zyklons 2 hineingeführt und endet mit einer Gasaustrittsöffnung 11 ungefähr in Höhe der Ebene 12 des Übergangs zwischen Hinterabschnitt 3 und Vorderabschnitt 4 des Zyklons 2. Der Hinterabschnitt 3, der Vorderabschnitt 4 und das Gasabzugsrohr 7 sind entlang einer gemeinsamen vertikalen Achse 9 angeordnet, wobei die Austrittsöffnung 5 unten und das Gasabzugsrohr 7 oben am Zyklon 2 angeordnet sind. Beispielsweise beträgt der Radius Rz zwischen 10 cm und 15 cm, der Radius RG zwischen 5 cm und 10 cm und der Radius RP zwischen 5 cm und 10 cm.On its front side opposite the
In den Hinterabschnitt 3 des Zyklons 2 mündet eine Zuführungsdüse 14 für ein kryogenes Kältemittel ein, die über eine Zuleitung 15 mit einer hier nicht gezeigten Quelle für ein kryogenes Kältemittel strömungsverbunden ist. Bei der Quelle handelt es sich beispielsweise um einen Tank für tiefkalt verflüssigten Stickstoff oder für druckverflüssigtes Kohlendioxid. Ein Endabschnitt der Zuleitung 15, an dessen Stirnseite sich die Zuführungsdüse 14 befindet, ist innerhalb einer tangentialen Zuführungsabschnitts 16 des Zyklons 2 und axial zu diesem angeordnet. Eine Flanschverbindung 17 sorgt für eine gasdichte Verbindung zwischen Zuleitung 15 und Zuführungsabschnitt 16.In the
Weiterhin ist eine Produktzuleitung 18 vorgesehen, die an einer Austrittsöffnung 19 im Deckel 6 senkrecht oder schräg, mit einer zusätzlichen tangentialen Richtungskomponente, in den Hinterabschnitt 3 einmündet. Die Austrittsöffnung 19 ist so angeordnet, dass sie mit dem Endabschnitt der Zuleitung 15 fluchtet und um einen Abstand D von beispielsweise 2 cm bis 5 cm axial beabstandet vor der Zuführungsdüse 14 ausmündet.Furthermore, a
An die Austrittsöffnung 5 des Vorderabschnitts 4 schließt sich eine Produktausleitung 20 zum Abführen von gekühltem Produkt an, die im hier gezeigten Ausführungsbeispiel durchgehend einen Querschnittsradius RP besitzt, der dem Radius der Austrittsöffnung 5 des Zyklons entspricht. Die Produktausleitung 20 weist nach Art eines Siphons einen U-förmigen Leitungsabschnitt auf, der im Einsatz der Vorrichtung 1 mit einem Krümmer 21 geodätisch nach unten und mit seinen Schenkeln 22, 23 nach oben gerichtet ist, wobei sich der Schenkel 22 unmittelbar an die Austrittsöffnung 5 anschließt. Krümmer 21 und Schenkel 22, 23 des U-förmigen Leitungsabschnitts so dimensioniert, dass in ihm eine Flüssigkeitssäule der Höhe H von beispielsweise 500 mm bis 800 mm aufrecht erhalten werden kann.Adjoining the
Beim Betrieb der Vorrichtung 1 strömt ein kryogenes Kältemittel, beispielsweise druckverflüssiges Kohlendioxid, das über die Zuleitung 15 mit einem Druck von mehr als 5,18 bar (abs.), beispielsweise einem Druck zwischen 18 bis 20 bar (abs.), zur Zuführungsdüse 14 geführt wird, in den Zyklon 2 ein. An der Zuführungsdüse 14 expandiert das Kohlendioxid unter Bildung eines Stroms aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidschnee, der tangential in den Ringraum 8 zwischen der Innenwand des Hinterabschnitts 3 und der Außenwand des Gasabzugsrohrs 7 einströmt und dort auf eine in Richtung des Vorderabschnitts absinkende spiralförmige Bahn 25 gezwungen wird, wie in
Gleichzeitig mit dem Kältemittel wird ein zu kühlendes flüssiges Produkt über die Produktzuleitung 18 zugeführt. Das Produkt vermischt sich vor der Ausmündung 19 innig mit dem aus der Zuführungsdüse 14 eingetragenen Kältemittel und wird von dessen Strom mitgerissen. Dabei nimmt das Kältemittel Wärme vom Produkt auf und verdampft bzw. sublimiert dabei zumindest teilweise, wobei sich das Produkt abkühlt.Simultaneously with the refrigerant, a liquid product to be cooled is supplied via the
In an sich bekannter Weise transformiert die spiralförmige Bahn 25 des verdampften Kältemittels auf Höhe der Gasaustrittsöffnung 11 in eine innerhalb des Gasabzugsrohrs 7 aufsteigende Spiralbahn. Das am Gasabzugsrohr 7 entweichende gasförmige Kältemittel wird anschließend bevorzugt aufgefangen und beispielsweise zur Vorkühlung des zugeführten Kältemittels in der Zuleitung 15 eingesetzt. Durch die kreisförmigen Strömungen innerhalb des Zyklons 2 werden die Flüssigkeitstropfen bzw. Partikel des Produkts spätestens nach einigen Umdrehungen aufgrund der Fliehkraft an die Innenwand des kegelförmigen Vorderabschnitts 4 geschleudert und soweit abgebremst, dass sie sich aus der Strömung lösen und nach unten in Richtung der Austrittsöffnung 5 laufen. Das flüssige Produkt wird anschließend über den U-förmigen Leitungsabschnitt der Produktausleitung 20 abgeführt.In a manner known per se, the spiral-shaped
Die Zuführung und Expansion des Kältemittels im Zyklon 2 führt zu einem starken Strömungsdruck des Produkts in Richtung auf die Produktausleitung 20. Beim Abströmen über die Produktausleitung 20 muss das Produkt jedoch den Schenkel 23 des U-förmigen Leitungsabschnitts und damit einen der Höhe H entsprechenden hydrostatischen Druck überwinden, der als Gegendruck zum Strömungsdrück des Produkts wirkt. Der Gegendruck von beispielsweise 0,05 bar bis 0,08 bar führt zu einer längeren durchschnittlichen Kontaktzeit der Flüssigkeitströpfchen des Produkts mit dem Kältemittel und damit zu einer wesentlich stärkeren Abkühlung des Produkts im Vergleich zu einer direkt nach unten geführten Ausleitung. Im Übrigen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in gleicher Weise auch zur Kühlung eines pulverförmigen Produkts geeignet.The supply and expansion of the refrigerant in the
- 1.1.
- Vorrichtungcontraption
- 2.Second
- Zykloncyclone
- 3.Third
- Hinterabschnittrear section
- 4.4th
- Vorderabschnittfront section
- 5.5th
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 6.6th
- Deckelcover
- 7.7th
- GasabzugsrohrGas vent pipe
- 8.8th.
- Ringraumannulus
- 9.9th
- Achseaxis
- 10.10th
- --
- 11.11th
- GasaustrittsöffnungGas outlet
- 12.12th
- Ebenelevel
- 13.13th
- --
- 14.14th
- Zuführungsdüsefeed nozzle
- 15.15th
- Zuleitungsupply
- 16.16th
- Zuführungsabschnittfeeding section
- 17.17th
- Flanschverbindungflange
- 18.18th
- Produktzuleitungproduct supply
- 19.19th
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 20.20th
- ProduktausleitungProduktausleitung
- 21.21st
- Krümmerelbow
- 22.22nd
- Schenkelleg
- 23.23rd
- Schenkelleg
- 24.24th
- --
- 25.25th
- Bahntrain
- BZ B z
- Breite des RingspaltsWidth of the annular gap
- RG R G
- Innenradius GasableitungInner radius of gas discharge
- RP R P
- Innenradius ProduktausleitungInner radius product rejection
- RZ R Z
- Innenradius Hinterabschnitt des ZyklonsInner radius Rear section of the cyclone
- HH
- Höhe einer Flüssigkeitssäule in der ProduktausleitungHeight of a liquid column in the product discharge
- DD
- Abstand zwischen Zuführungsdüse und ProduktzuleitungDistance between feed nozzle and product feed line
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet,
dass die Austrittsöffnung (5) des Vorderabschnitts (4) mit einer Produktausleitung (20) für gekühltes Produkt strömungsverbunden ist, in der Mittel (21, 22, 23) zum Aufbau eines dem Strömungsdruck des durch die Produktausleitung (20) abströmenden Produkts entgegen wirkenden Gegendrucks angeordnet sind.An apparatus for cooling products, comprising a cyclone (2) having a housing with a circular cylindrical rear portion (3) and an adjoining, conically shaped front portion (4) with an outlet opening (5), wherein on the front portion (4 ) opposite the upper end side of the rear portion (3) a lid (6) with a concentrically passed through this, inside the cyclone (2) spaced from the lid (6) with a circular gas outlet opening (11) opening out gas discharge line (7) is arranged with a supply nozzle (14) connected to a supply line (15) for a cryogenic refrigerant, which opens tangentially into the rear section (3) in the region of the upper end side, and with at least one supply line (18) leading into the rear section (3) cooling product,
characterized,
in that the outlet opening (5) of the front section (4) is fluidly connected to a cooled product outlet (20) in the means (21, 22, 23) for establishing a counter pressure acting against the flow pressure of the product flowing out through the product outlet (20) are arranged.
dadurch gekennzeichnet,
dass der in der Produktausleitung (20) abströmseitig ein dem Strömungsdruck des abströmenden Produkts entgegen wirkender Gegendruck erzeugt wird.A method of cooling products using a device according to any one of the preceding claims, wherein a cryogenic refrigerant at a feed nozzle (14) is tangentially introduced into the rear portion (3) of the housing of a cyclone (2) via a cyclone (2 ) opening feed line (18) a product to be cooled is introduced into the flow of the refrigerant introduced and mixed with this, then the mixture of refrigerant and product in the cyclone (2) is separated, the product via a from one to the rear portion (3) subsequent conically formed front section (4) discharging product outlet (20) and vaporized refrigerant via a in the rear section (3) opens out gas discharge line (7) is discharged,
characterized,
that in the product outlet (20) downstream of the flow pressure of the effluent product counteracting backpressure is generated.
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