NL1010903C2 - Werkwijze en inrichting voor het ladingsgewijs vacuümkoelen van producten. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het la- dingsgewijs vacuümkoelen van producten.

’ j “Λ ' Γ"} ” '> Ο EC. 1998

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het ladingsgewijs vacuümkoelen van waterbe-vattende producten, in het bijzonder voedselproducten, in een vacuümkoelinrichting, waarbij te koelen producten in 5 een koelkamer worden geladen, de druk in de koelkamer wordt verlaagd met behulp van een of meer vacuümmiddelen, de daardoor uit de producten ontwijkende waterdamp wordt gecondenseerd in een waterdampcondensor en de niet-conden-seerbare gassen worden afgevoerd met behulp van de vacuüm-10 middelen.

Een dergelijke werkwijze alsmede een inrichting voor het uitvoeren daarvan zijn uit de stand van de techniek bekend, bijvoorbeeld uit de Nederlandse octrooiaanvragen 8100173, respectievelijk 8501978. Vacuümkoelen wordt 15 o.a. toegepast in veilinggebouwen, waar waterbevattende producten, zoals bijvoorbeeld sla, postelein en andere bladgroenten, snel gekoeld moeten worden om deze lang fris en vers te houden. Bij het vacuümkoelen worden de te behandelen producten, die veelal in kisten, kratten of dozen 20 zijn verpakt, in de koelkamer geplaatst, waarna de druk in de koelkamer wordt verlaagd met behulp van één of meer vacuümpompen, totdat de verzadigingsdruk bij de heersende temperatuur (flash point) van het water wordt bereikt. Voor het verdampen van water dit de producten is warmte nodig, 25 die aan de producten zelf wordt onttrokken. De ontwijkende waterdamp wordt gecondenseerd op de gekoelde waterdampcondensor, terwijl de niet-condenseerbare gassen, zoals lucht, worden verwijderd met behulp van de vacuümpomp. Nadat de gewenste eindtemperatuur van het product is bereikt, wordt 30 het vacuüm in de koelkamer opgeheven en kan de lading gekoelde producten worden opgeslagen of getransporteerd en een nieuwe lading te behandelen producten in de koelkamer worden ingebracht, waarna de koelcyclus wordt herhaald.

Bij het vacuümkoelen volgens de hierboven besproken ··· ' -v i . : 2 stand van de techniek wordt een verdampend koudemiddel zoals R22 toegepast.

Voor het koelen van kant en klare voedselproducten e.d., bijvoorbeeld fast food maaltijden, vanaf bijvoorbeeld 5 95 naar ongeveer 4 °C, wordt vaak koude lucht toegepast. De totale koelperiode duurt dan echter lang.

Wanneer men vacuümkoelen voor het koelen van dergelijke producten onder toepassing van een verdampend koudemiddel uitvoert, is een van de nadelen dat aan het einde 10 van het koelproces, d.w.z. bij lage eindtemperaturen de verdampingstemperatuur wegzakt van -5°C naar -20°C om een snelle en goede warmteoverdracht te kunnen realiseren. Een snelle afkoeling bij dergelijke producten is onder meer van belang voor de kwaliteit en duurzaamheid daarvan.

15 Een ander nadeel is dat aan het begin van het koe len, d.w.z. als het temperatuurverschil tussen condenserende waterdamp en het koudemiddel het grootst is en zodoende de warmteoverdracht van condenserende waterdamp naar het koudemiddel en dientengevolge ook de massastroom van 20 waterdamp uit de koelkamer naar de condensor groot zijn, het gevaar bestaat dat niet alle waterdamp in de condensor condenseert, maar door de vacuümpomp wordt aangezogen. Dit brengt het risico van condensatie van waterdamp in de pomp-olie met zich mee, waardoor de werking van de vacuümpomp 25 wordt verstoord en mogelijk de noodzakelijke einddruk en zodoende eindtemperatuur van de producten in de koelkamer niet kunnen worden bereikt. Derhalve worden vaak overbodig grote en derhalve dure vacuümpompen ingezet.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel deze na-30 delen op te heffen en in algemene zin de bekende werkwijze en inrichting voor het vacuümkoelen van waterbevattende producten te verbeteren, met name wanneer het verschil tussen de begintemperatuur van de te koelen producten en de eindtemperatuur relatief groot is.

35 Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, door dat bij een werkwijze van de hierboven beschreven soort de waterdampcondensor wordt gekoeld met een verpompbare secun- 1010203 i 3 daire koudedrager, waarin door aan de condenserende waterdamp onttrokken warmte een fase-overgang van vast naar vloeibaar plaatsvindt.

In deze beschrijving heeft koudemiddel de betekenis 5 van een middel, dat actief deelneemt aan het koelproces door faseverandering en/of drukverandering. Voorbeelden daarvan zijn CFK, HFK, HCFK e.d.. Een koudedrager daarentegen transporteert alleen warmte of slaat het op. Faseveran-deringen kunnen daarbij wel optreden, maar geen noemens-10 waardige drukveranderingen, zoals bij koudemiddelen.

Bij de werkwijze voor het vacuümkoelen van waterbe-vattende producten volgens de uitvinding wordt een secundaire koudedrager toegepast, die een mengsel van vaste en vloeibare stof omvat, waarin de vaste stof gedeeltelijk 15 wordt omgezet in de vloeistof. Een dergelijke koudedrager, . hierna ook aangeduid als vast-vloeibaar mengsel, bevat zowel voelbare (de lage temperatuur van de drager) als latente energie (nodig voor de overgang van vaste naar vloeibare fase). De temperatuur van een dergelijk vast-20 vloeibaar mengsel, waarin tijdens koelen het vaste bestanddeel daarvan in vloeibare vorm overgaat door het opnemen van warmte, welke wordt onttrokken aan de condenserende waterdamp, is tijdens de gehele koelperiode, zelfs bij grote koeltrajecten nagenoeg constant in tegenstelling tot 25 een conventioneel koelsysteem, waarbij de verdampingstempe-ratuur aan het eind van het proces wegzakt tengevolge van het verslechteren van de warmteoverdracht. Daarnaast is de warmteoverdrachtscoëfficiënt van een vast-vloeibaar mengsel, zoals toegepast bij de werkwijze volgens de uitvin-30 ding, beter dan dat van de momenteel toegepaste verdampende koudemiddelen, waardoor een kleiner warmtewisselend oppervlak nodig is. De hoge energiedichtheid (kJ/m3) van het vast-vloeibaar mengsel leidt ertoe dat de koudedrager goed gebufferd kan worden, waardoor een aanzienlijke reductie 35 van het geïnstalleerde koelvermogen kan worden verwezenlijkt.

De hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt van het vast- 1 Q 'i Ü'o ^ 4 vloeibaar mengsel leidt ertoe dat zelfs aan het einde van een koeltraject, waarbij het temperatuurverschil tussen de condenserende waterdamp en het vast-vloeibaar mengsel het kleinst is, toch voldoende warmte in korte tijd aan de 5 waterdamp wordt onttrokken, waardoor de producten goed worden gekoeld en de gewenste eindtemperatuur snel wordt bereikt.

De secundaire koudedrager, die bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt toegepast, wordt zelf bij voor-10 keur gekoeld met behulp van een primair koudemiddel, bijvoorbeeld CFK, HCFK, HFK of natuurlijk koudemiddel, zoals ammoniak of propaan. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt hiervoor een (geschraapte) warmtewisselaar toegepast. Andere voorbeelden 15 van het genereren van een vast-vloeibaar mengsel als secundaire koudedrager omvatten een ejecteur, (thermo)compressor of sublimatie-inrichting. Daar elk van deze technieken zijn eigen werkgebied heeft, wordt de keuze voor een bepaalde techniek mede bepaald door het benodigde koelvermogen.

20 Bij voorkeur wordt als secundaire koudedrager een mengsel van water en ijs toegepast, waarvan het vriespunt desgewenst wordt ingesteld met behulp van een vriespuntver-lagend middel. Met voordeel bestaat de secundaire koudedrager uit water met ijskristallen, die uit een waterige 25 oplossing zijn gemaakt. Zoals de vakman wel bekend is, bepalen het type vriespuntverlagend middel en de concentratie daarvan het vriespunt van het mengsel. Voorbeelden van vriespuntverlagende middelen zijn algemeen in het vak bekend en kunnen worden gekozen uit alcoholen, zouten en 30 suikers e.d., zoals ethanol, natriumchloride e.d.. De waterige oplossing kan desgewenst een van de in de handel verkrijgbare, gebruikelijk toegepaste corrosieremmende middelen bevatten. De temperatuur van een op dergelijke wijze samengesteld vast-vloeibaar mengsel kan afhankelijk van het 35 type en de concentratie van het vriespuntverlagende middel variëren van -2 tot -40 °C.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vacu- i o i u o o 5 timkoelinrichting voor het ladingsgewijs vacuümkoelen van waterbevattende producten, in het bijzonder voedselproducten, welke inrichting een koelkamer, verbonden met vacuüm-middelen voor het reduceren van de druk in de koelkamer 5 omvat, alsmede een met de koelkamer en vacuümmiddelen in verbinding staande waterdampcondensor met een condensatie-zijde voor het laten condenseren van waterdamp en een kou-dedragerzijde voor het koelen met een secundaire koudedra-ger, welke vacuümkoelinrichting wordt gekenmerkt doordat 10 een leidingstelstel voor het laten rondstromen van de secundaire koudedrager is verbonden met de waterdampcondensor en een inrichting voor het koelen van de secundaire koudedrager, waarbij de secundaire koudedrager een koudedrager is, waarin door aan de condenserende waterdamp onttrokken 15 warmte een fase-overgang van vast naar vloeibaar plaatsvindt.

Voorkeursuitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding zijn in de afhankelijke inrichtingscon-clusies gedefinieerd.

20 Met voordeel is het leidingstelsel voor het laten rondstromen van de secundaire koudedrager opgedeeld in een eerste leidinglus, welke de waterdampcondensor en een voorraadvat voor de secundaire koudedrager omvat, alsmede een tweede leidinglus welke het voorraadvat met de inrichting 25 voor het koelen van de secundaire koudedrager verbindt, d.w.z. bij voorkeur een (geschraapte) warmtewisselaar waarin de secundaire koudedrager met behulp van een primair koudemiddel wordt gekoeld. Zoals hierboven reeds is besproken, is het vast-vloeibaar mengsel goed te bufferen, waar-30 door koude in het voorraadvat kan worden opgeslagen, wanneer de vacuümkoélinrichting zelf buiten gebruik is, bijvoorbeeld tijdens het laden of legen van de koelkamer.

De werkwijze en inrichting volgens de uitvinding worden hierna toegelicht aan de hand van de tekening, waar-35 in de enige figuur een schematische weergave is van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding.

Het proces volgens de uitvinding, zoals in de fi-

101 Ö. Ü J

6 guur weergegeven, kan ruwweg in vier delen worden opgesplitst. De koudeopwekkingszijde van dit proces, waarbij als secundaire koudedrager een vast-vloeibaar mengsel wordt gegenereerd, bijvoorbeeld een waterige oplossing van etha-5 nol met zuivere ijskristallen, bestaat uit een ijsgenerator 1, een compressor 2, condensor 3 en expansieorgaan 4. De ijsgenerator 1 is bijvoorbeeld een geschraapte warmtewisselaar, waarin men een primair koudemiddel, bijvoorbeeld CFK, HCFK, HFK of natuurlijk koudemiddel laat verdampen en zo-10 doende de koudedrager in de warmtewisselaar zodanig afkoelt, dat aan de andere (koudedrager)zijde in de warmtewisselaar ijsvorming optreedt. De gevormde ijslaag wordt continu van de wand verwijderd door een aantal schrapers, die in het geval van een mantel/buis warmtewisselaar bij-15 voorbeeld aan de binnenzijde roterend tegen de buiswand aandrukken. Het in de ijsgenerator 1 verdampte primaire koudemiddel gaat via de droge zuigleiding 5 naar de compressor 2 en vervolgens via persleiding 6 naar de condensor 3. Het daar gecondenseerde koudemiddel stroomt via vloei-20 stofleiding 7, expansie-orgaan 4 en vloeistof/dampleiding 8 weer naar ijsgenerator 1.

Het in de ijsgenerator 1 gevormde vast-vloeibaar mengsel stroomt via leiding 9 naar voorraadvat 10, dat van een roerinrichting 11 is voorzien teneinde het vast-vloei-25 baar mengsel homogeen te houden. Omdat het vacutimkoelproces een ladingsgewi js proces is, kan in het voorraadvat 10 koude worden opgeslagen. Met behulp van pomp 12 wordt via zuigleiding 13 en persleiding 14 het vast-vloeibaar mengsel teruggepompt naar de ijsgenerator 1 voor het opnieuw (of 30 verder) koelen daarvan.

Vanuit het voorraadvat 10 wordt het koude vast-vloeibaar mengsel met behulp van pomp 15 via zuigleiding 16 en persleiding 17 naar de waterdampcondensor 18 verpompt, welke waterdampcondensor 18 een warmtewisselaar met interne 35 vloeistofafscheider is, bijvoorbeeld van het mantel/buis-type desgewenst met keerschotten daarin, waarbij het ijs van het vast-vloeibaar mengsel in de buizen daarvan afsmelt . .« .·· · ï * r..

JU t u -· 'J ^ i 7 door de op de mantelzijde daarvan condenserende waterdamp. De waterdamp wordt tijdens de koelperiode onttrokken aan de in de koelkamer 19 aanwezige producten. De druk in koelka-mer 19 wordt met behulp van vacuümpomp 20 via zuigleiding 5 21 en vacuümslang 22 gereduceerd. Via leiding 2 3 gaat het afgesmolten vast-vloeibaar mengsel weer terug naar voorraadvat 10. De niet-condenserende gassen worden via afvoer-leiding 24 afgevoerd, terwijl het condensaat (of rijp) na het stopzetten van het koelproces wordt afgevoerd via con-10 densaatleiding 25.

Bij een voorbeeld van de werkwijze volgens de uitvinding worden de te behandelen producten, die in de koelkamer 19 zijn geladen, van meer dan 95°C (overeenkomend met 846 mbara verzadigingsdruk) gekoeld naar ± 5°C (welke tem-15 peratuur overeenkomt met 8,72 mbara verzadigingsdruk). De koeling van de producten in de koelkamer 19 vindt pas plaats, nadat de druk in de waterdampcondensor 18 en de koelkamer 19 met behulp van de vacuümpomp 20 is gereduceerd tot de verzadigingsdruk van 846 mbara bij 95°C. Wanneer 20 deze druk wordt bereikt, begint het water uit de producten te verdampen, waarvoor de benodigde energie wordt onttrokken aan de producten zelf, waardoor deze worden gekoeld. De vacuümpomp 20 zelf levert geen directe bijdrage aan het koelen. Nadat de gewenste eindtemperatuur is bereikt, wordt 25 het vacuüm in de koelkamer 19 opgeheven en de waterdampcondensor 18 op druk gebracht.

De vakman zal begrijpen dat het bij deze voorkeursuitvoeringsvorm toegepaste voorraadvat 10 niet per se noodzakelijk is voor een juiste werking van de vacuümkoelin-30 richting. Men kan het in de ijsgenerator 1 gegenereerde vast-vloeibare mengsel direct naar de waterdampcondensor 18 verpompen. Het voorraadvat 10 is echter nuttig voor het verkleinen van het geïnstalleerde koelvermogen van de compressor 2 aan de koudeopwekkingszijde van de inrichting, 35 omdat tijdens perioden, waarin geen producten in koelkamer 19 worden gekoeld, koude kan worden gebufferd in voorraadvat 10. In dat geval werkt pomp 15 niet en pomp 12 wel.

lli iüjuJ

8

Het vast-vloeibaar mengsel, dat bij de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding wordt toegepast, is een mengsel van een vloeistof (al dan niet met toegevoegd vriespuntverlagend middel) en ijskristallen. Door de aanwe-5 zigheid van deze ijskristallen in de vloeistof wordt een hoge energiedichtheid gerealiseerd. Het vast-vloeibare mengsel heeft een hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt door de aanwezigheid van de smeltende ijskristallen, hetgeen een gunstige invloed op de totale warmteoverdracht heeft.

10 In onderstaande tabel zijn voor een 10 %'s waterige oplossing van ethanol als vloeibaar uitgangsmateriaal het gewichtspercentage ethanol in de oplossing, het vriespunt en het gewichtspercentage ijskristallen weergegeven.

GEW.% ETHANOL VRIESPUNT GEW.% IJSKRISTALLEN

(°C) 15 10,00 - 4,46 (-4,5) 0 11,03 - 5,0 9,34 11,95 - 5,5 16,32 12,84 - 6,0 22,12 13,71 - 6,5 27,06 20 14,55 - 7,0 31,27

Zoals uit de tabel blijkt, bevat de uitgangsoplos-sing 10 gew.% ethanol en heeft zodoende een vriespunt van ongeveer -4,5 °C. Wanneer door het koelen van deze uit- 25 gangsoplossing in de ijsgenerator zuivere ijskristallen worden gevormd, neemt de concentratie ethanol in de oplossing toe en wordt zodoende het vriespunt lager.

Bij een voorbeeld van de werkwijze volgens de uitvinding bedroeg het benodigde koelvermogen 50 kW in de 30 waterdampcondensor. Daarvoor werd de hierboven genoemde 10 %'s oplossing van ethanol in water toegepast met een constant debiet van 1,90 m3/h en een ingangstemperatuur van - 6,5 °C, hetgeen overeenkomt met 27,06 gew.% ijskristallen 'l ü i J··" ' 9 in de oplossing. Bij het begin van het proces bedroeg de uitgangstemperatuur van de oplossing -4,46 °C, hetgeen betekent dat alle ijskristallen waren gesmolten. Aan het eind van het proces bedroeg de uitgangstemperatuur -5,5 °C, 5 hetgeen overeenkomt met 16,32 % ijskristallen in de oplossing.

Het vriespuntverlagend middel heeft eveneens de functie om fijne en zachte ijskristallen in de ijsgenerator te laten ontstaan, daar zodoende het risico van vastlopen 10 van de schrapers door grote en harde ijskristallen wordt gereduceerd.

1 f' ·· ; * r' > 'i » i V V...’ fj o

Claims (10)

1. Werkwijze voor het ladingsgewijs vacuümkoelen van waterbevattende producten, in het bijzonder voedselproducten, in een vacuümkoelinrichting, waarbij te koelen producten in een koelkamer (19) worden geladen, de druk in de 5 koelkamer (19) wordt verlaagd met behulp van een of meer vacuümmiddelen (20), de daardoor uit de producten ontwijkende waterdamp wordt gecondenseerd in een waterdampcon-densor (18) en de niet-condenseerbare gassen worden afgevoerd met behulp van de vacuümmiddelen (20) , met het ken-10 merk dat de waterdampcondensor (18) wordt gekoeld met een verpompbare secundaire koudedrager, waarin door aan de condenserende waterdamp onttrokken warmte een fase-overgang van vast naar vloeibaar plaatsvindt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat 15 de secundaire koudedrager een mengsel van water en ijs is.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk dat het mengsel van water en ijs tevens een vriespuntverlagend middel bevat.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, 20 met het kenmerk dat het vriespuntverlagend middel is gekozen uit alcoholen, zouten en suikers.

5. Vacuümkoelinrichting voor het ladingsgewijs vacu- umkoelen van waterbevattende producten, in het bijzonder voedselproducten, welke inrichting een koelkamer (19), 25 verbonden met vacuümmiddelen (20) voor het reduceren van de druk in de koelkamer (19) omvat, alsmede een met de koelkamer (19) en de vacuümmiddelen (20) in verbinding staande waterdampcondensor (18) met een condensatiezijde voor het laten condenseren van waterdamp en een koudedragerzijde 30 voor het koelen met een koudedrager, met het kenmerk dat een leidingstelsel voor het laten rondstromen van een secundaire koudedrager verbonden is met de waterdampcondensor (18) en een inrichting voor het koelen van de secundaire koudedrager, waarbij de secundaire koudedrager een koude-35 drager is, waarin door aan de condenserende waterdamp ont- 1 0 1 GO 0 3 trokken warmte een fase-overgang van vast naar vloeibaar plaatsvindt.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de inrichting voor het koelen van de secundaire koudedrager 5 een warmtewisselaar (1) voor het koelen van de secundaire koudedrager met behulp van een primair koudemiddel is.

7. Inrichting volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk dat de secundaire koudedrager een mengsel van water en ijs is.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk dat het mengsel van water en ijs tevens een vriespuntverlagend middel bevat.

9. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 5-8, met het kenmerk dat het vriespuntverlagend middel is 15 gekozen uit alcoholen, zouten en suikers.

10. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 5-9, met het kenmerk dat het leidingstelsel voor het laten rondstromen van de secundaire koudedrager een eerste lei-dinglus omvat, welke de waterdampcondensor (18) met een 20 voorraadvat (10) voor de secundaire koudedrager omvat, alsmede een tweede leidinglus welke het voorraadvat (10) met de inrichting voor het koelen van de secundaire koudedrager verbindt.

10. U vJ 0 3