RU2310143C1

RU2310143C1 - Device for fast freezing

Info

Publication number: RU2310143C1
Application number: RU2006104358/12A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Леонидович Огнев (RU); Геннадий Леонидович Огнев; Владимир Михайлович Хвастунов (RU); Владимир Михайлович Хвастунов
Original assignee: ООО "Стромакс 2000"
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-11-10

Abstract

FIELD: refrigeration engineering.

SUBSTANCE: device comprises cooling unit provided with a closed circuit filled with coolant, ducts connected with the circuit pipeline in parallel and polymeric bags that are in a contact with the plates made of a high-conductivity material, thermoelectric modules, and pump that pumps the coolant in the closed circuit. One side of the modules is in a contact with the ducts, and the other side is in a contact with the plates which, in turn, are in a contact with the polymeric bags. The thermoelectric modules are provided with a power source. The plates are provided with temperature gages connected with the unit for measuring and control that is, in turn, connected with the commutator of the current polarity connected with the power supply unit of the thermoelectric module.

EFFECT: enhanced efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и предназначено для быстрого замораживания различных продуктов, например микробиологической массы перед лиофилизацией, биологических медицинских субстанций, например плазмы крови, а также пищевых продуктов, помещенных в полимерные пакеты.The invention relates to the field of refrigeration or freezing technology and is intended for the rapid freezing of various products, for example, microbiological mass before lyophilization, biological medical substances, such as blood plasma, as well as food products placed in plastic bags.

Известно, что при быстром замораживании различных продуктов в них сохраняется больше полезных веществ (витаминов), а в соответствии с требованиями Руководства Совета Европы по приготовлению, использованию и обеспечению качества компонентов крови температурный режим замораживания свежеприготовленной плазмы крови должен быть таким, чтобы обеспечивалось достижение температуры минус 30°С в центре пакета за час или меньше (см. Совет Европы, Руководство по приготовлению, использованию и обеспечению качества компонентов крови. Новое издание, СИ-ЛАБ Фертрибсгез. М.б.Х., Москва, 1996, с.102).It is known that during the quick freezing of various products, more beneficial substances (vitamins) are stored in them, and in accordance with the requirements of the Council of Europe Guidelines for the preparation, use and quality assurance of blood components, the temperature regime for freezing freshly prepared blood plasma must be such as to ensure that the temperature reaches minus 30 ° C in the center of the bag in an hour or less (see Council of Europe, Guidelines for the Preparation, Use and Quality Assurance of Blood Components. New Edition , SI-LAB Fertribsges. M.B.Kh., Moscow, 1996, p. 102).

Для достижения высоких скоростей замораживания применяются каскадные холодильные установки. Наиболее близким аналогом является устройство аналогичного назначения известное из а.с. SU 1174694, F25D 13/06, 1985, содержащее корпус, камеру, испарители, вентиляторы.To achieve high freezing rates, cascade refrigeration units are used. The closest analogue is a device of a similar purpose known from A. with. SU 1174694, F25D 13/06, 1985, comprising a housing, a chamber, evaporators, fans.

Недостатки известного устройства состоят в его низкой надежности, необходимости применения дефицитных видов хладагентов и запасных частей, сложности ремонта таких устройств, при этом замораживание пакетов осуществляется с помощью воздуха, охлажденного до более низких температур.The disadvantages of the known device are its low reliability, the need to use scarce types of refrigerants and spare parts, the difficulty of repairing such devices, while the packages are frozen using air cooled to lower temperatures.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является быстрозамораживатель, известный из патента RU 2224191 C1, F25D 11/0, 20.02.2004, содержащий корпус, в котором установлены компрессорно-конденсаторные агрегаты, рабочую камеру с дверцей и теплоизолирующим ограждением. В верхней части камеры установлены два испарителя, объединенных с соответствующими компрессорами и конденсаторами с вентиляторами в холодильные агрегаты. Внутри рабочей камеры на нижних сторонах неподвижных пластин установлены секции третьего испарителя, гидравлические тракты которых соединены между собой параллельно и объединены в единую гидравлическую цепь с третьим компрессором и конденсатором.The closest in technical essence and the achieved result is a quick-freezer, known from patent RU 2224191 C1, F25D 11/0, 02/20/2004, containing a housing in which condensing units are installed, a working chamber with a door and a heat insulating fence. Two evaporators are installed in the upper part of the chamber, combined with the corresponding compressors and condensers with fans in refrigeration units. Sections of the third evaporator are installed on the lower sides of the fixed plates inside the working chamber, the hydraulic paths of which are connected in parallel and combined into a single hydraulic circuit with a third compressor and condenser.

Недостатки известного устройства, принятого за прототип, состоят в следующем.The disadvantages of the known device adopted for the prototype are as follows.

Отвод тепла непосредственно на кипящий хладагент осуществляется с одной стороны пакетов, а со второй стороны пакетов отвод тепла осуществляется воздухом через пластину с дополнительной радиаторной системой. Тепло, выделяемое при работе вентилятора, обдувающего испарители, остается в рабочей камере, ухудшая режим. Размещение пакетов на пластинах, расположенных по высоте рабочей камеры при подаче холодного воздуха от испарителей, расположенных в верхней части камеры, исключает равномерное распределение воздуха между пластинами, расположенными одна под другой по высоте рабочей камеры, ухудшая тепловой режим. В гидравлических трактах секций испарителя, расположенного на неподвижных пластинах по высоте камеры, кипение хладагента происходит при отличающихся друг от друга температурах и, следовательно, существует разброс температур на нижних сторонах пакетов.Heat is removed directly to the boiling refrigerant from one side of the packages, and from the second side of the packages, heat is removed from the air through a plate with an additional radiator system. The heat generated during the operation of the fan blowing the evaporators remains in the working chamber, worsening the mode. Placement of packages on plates located along the height of the working chamber when cold air is supplied from evaporators located in the upper part of the chamber eliminates uniform distribution of air between plates located one below the other along the height of the working chamber, worsening the thermal regime. In the hydraulic paths of the evaporator sections located on the fixed plates along the height of the chamber, the refrigerant boils at different temperatures and, therefore, there is a temperature spread on the lower sides of the bags.

Измерение температуры в рабочей камере осуществляется по единственному датчику, что исключает возможность контроля за готовностью конкретного замораживаемого пакета, находящегося в самых неблагоприятных условиях, причем время готовности должно быть определено заранее для каждого вида продуктов.The temperature in the working chamber is measured by a single sensor, which eliminates the possibility of monitoring the readiness of a particular frozen bag in the most adverse conditions, and the readiness time must be determined in advance for each type of product.

Охлаждение верхней стороны пакетов воздухом препятствует достижению высоких скоростей охлаждения.Cooling the upper side of the bags with air prevents the achievement of high cooling rates.

Серьезным недостатком прототипа является также то, что после охлаждения полимерного пакета до минус 50°С отделение полимерного пакета от неподвижной пластины производится механическим способом, за счет силового разделения поверхности от неподвижной пластины. Этот способ разделения поверхностей может привести к нарушению герметичности полимерного пакета либо к полному его разрыву. Это связано с тем, что при такой температуре поверхность полимерного пакета просто примерзнет к неподвижной поверхности пластины.A serious disadvantage of the prototype is that after cooling the polymer bag to minus 50 ° C, the separation of the polymer bag from the fixed plate is carried out mechanically, due to the force separation of the surface from the fixed plate. This method of separation of surfaces can lead to a violation of the tightness of the polymer bag or to its complete rupture. This is due to the fact that at this temperature the surface of the polymer bag will simply freeze to the fixed surface of the plate.

Задачей изобретения является обеспечение возможности быстрого замораживания продуктов и растворов, в частности плазмы крови, помещенных в полимерные пакеты любых типоразмеров и вместимостей, а также сохранение целостности полимерных пакетов при разгрузке.The objective of the invention is to enable rapid freezing of products and solutions, in particular blood plasma, placed in polymer bags of any sizes and capacities, as well as maintaining the integrity of polymer bags during unloading.

Задача быстрого замораживания решается за счет того, что отвод тепла осуществляется одновременно с верхней и нижней поверхности полимерного пакета более эффективным и надежным способом, исключающим применение в качестве холодильных устройств многокаскадных компрессионных систем. Это позволяет использовать высоконадежные однокаскадные холодильные агрегаты на эффективных экологически чистых дешевых хладагентах с температурой охлаждения до минус 5°С, и в тоже время достигать высоких скоростей замораживания полимерных пакетов до минус 50°С. При этом при эксплуатации предлагаемого быстрозамораживателя после охлаждения полимерного пакета до минус 50°С сохраняется целостность полимерного пакета при разгрузке.The task of quick freezing is solved due to the fact that heat is removed simultaneously from the upper and lower surfaces of the polymer bag in a more efficient and reliable way, eliminating the use of multi-stage compression systems as refrigeration devices. This allows the use of highly reliable single-stage refrigeration units on efficient environmentally friendly low-cost refrigerants with a cooling temperature of up to minus 5 ° C, and at the same time achieve high freezing rates of polymer bags up to minus 50 ° C. Moreover, during operation of the proposed quick-freezer after cooling the polymer bag to minus 50 ° C, the integrity of the polymer bag is maintained during unloading.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в быстрозамораживатель полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, или пищевыми продуктами, например фруктами, содержащий холодильный агрегат с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлаждающей жидкостью, параллельно присоединенные к этой магистрали гидравлические тракты и полимерные пакеты, контактирующие с пластинами, выполненными из материала с высокой теплопроводностью; в него введены термоэлектрические модули, одной стороной контактирующие с гидравлическими трактами, а другой стороной - с пластинами, контактирующими с полимерными пакетами, насос, прокачивающий охлажденный теплоноситель в замкнутом гидравлическом контуре, при этом термоэлектрические модули, охлаждающие каждый полимерный пакет, снабжены собственным блоком питания, который соединен с коммутатором полярности тока, а на пластинах установлены датчики температуры, подключенные к устройству измерения и контроля, которое, в свою очередь, подключено к коммутатору полярности тока.The specified technical result is achieved due to the fact that in the quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, containing a refrigeration unit with a closed hydraulic line filled with coolant, hydraulic paths connected in parallel to this line and polymer bags in contact with plates made of a material with high thermal conductivity; thermoelectric modules are introduced into it, on one side in contact with hydraulic paths and on the other side with plates in contact with polymer bags, a pump pumping the cooled coolant in a closed hydraulic circuit, while the thermoelectric modules cooling each polymer bag are equipped with their own power supply, which is connected to the current polarity switch, and the plates are equipped with temperature sensors connected to a measurement and control device, which, in turn, connected to the current polarity switch.

Способ эксплуатации быстрозамораживателя полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, или пищевыми продуктами, например фруктами, снабженного термоэлектрическими модулями, включающий загрузку полимерных пакетов, подачу электроэнергии на термоэлектрические модули, охлаждение полимерных пакетов до заданной минусовой температуры и выгрузку полимерных пакетов из быстрозамораживателя, отличающийся тем, что перед выгрузкой полимерных пакетов из быстрозамораживателя на термоэлектрические модули подают электроэнергию на время 10-30 секунд с обратной полярностью.A method of operating a quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, equipped with thermoelectric modules, comprising loading polymer bags, supplying electricity to thermoelectric modules, cooling polymer bags to a predetermined minus temperature, and unloading polymer bags from the quick-freezer characterized in that before unloading the polymer bags from the quick-freezer to a thermoelectric These modules supply electricity for 10-30 seconds with reverse polarity.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлен быстрозамораживатель, обеспечивающий охлаждение одного пакета. Охлаждение любого необходимого количества пакетов осуществляется стыковкой предлагаемого устройства к замкнутой гидравлической магистрали любым способом любыми разъемами дополнительного количества гидравлических трактов, обеспечивающих охлаждение необходимого количества полимерных пакетов. Это позволяет размещать либо все полимерные пакеты для быстрого замораживания в отдельном корпусе морозильника, либо по частям в отдельных термостатах, через которые прокачивается по трактам охлажденный теплоноситель, объединенных замкнутой гидравлической магистралью, с небольшим количеством полимерных пакетов, например по 5-6 штук.The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a quick-freezer that provides cooling of one package. Cooling of any required number of packages is carried out by docking the proposed device to a closed hydraulic line in any way by any connectors of an additional number of hydraulic paths providing cooling of the required number of polymer bags. This allows you to place either all polymer bags for quick freezing in a separate freezer case, or in parts in separate thermostats, through which a cooled coolant is pumped through the tracts, connected by a closed hydraulic line, with a small number of polymer bags, for example, 5-6 pieces.

Предложенный быстрозамораживатель содержит: холодильную машину 1 с замкнутой гидравлической магистралью 2, заполненной охлаждающей жидкостью, которая прокачивается насосом 3. Гидравлические тракты 4, параллельно подсоединенные к гидравлической магистрали 2, контактируют с одной из сторон термоэлектрических модулей 5. Другая сторона термоэлектрических модулей 5 контактирует с пластинами 6, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, между которыми находится полимерный пакет 7, заполненный, например, плазмой крови. На каждой пластине 6 установлены датчики температуры 8, подключенные к устройству измерения и контроля 9, которое, в свою очередь, подключено к коммутатору полярности тока 10. Коммутатор полярности тока 10 соединен с блоком питания термоэлектрических модулей 11.The proposed quick-freezer contains: a refrigerating machine 1 with a closed hydraulic line 2 filled with coolant, which is pumped by a pump 3. The hydraulic paths 4, connected in parallel to the hydraulic line 2, are in contact with one of the sides of the thermoelectric modules 5. The other side of the thermoelectric modules 5 is in contact with the plates 6, made of a material with high thermal conductivity, between which is a polymer bag 7, filled, for example, with blood plasma. On each plate 6 there are temperature sensors 8 connected to the measuring and control device 9, which, in turn, is connected to the current polarity switch 10. The current polarity switch 10 is connected to the power supply unit of thermoelectric modules 11.

Быстрозамораживатель полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, или пищевыми продуктами, например фруктами, содержащий холодильный агрегат с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлаждающей жидкостью, параллельно присоединенные к этой магистрали гидравлические тракты и полимерные пакеты, контактирующие с пластинами, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, отличающийся тем, что в него введены термоэлектрические модули, одной стороной контактирующие с гидравлическими трактами, а другой стороной с пластинами, контактирующими с полимерными пакетами, насос, прокачивающий охлажденный теплоноситель в замкнутом гидравлическом контуре, при этом термоэлектрические модули, охлаждающие каждый полимерный пакет, снабжены собственным блоком питания, который соединен с коммутатором полярности тока, а на пластинах установлены датчики температуры, подключенные к устройству измерения и контроля, которое, в свою очередь, подключено к коммутатору полярности тока.A quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, containing a refrigeration unit with a closed hydraulic line filled with coolant, hydraulic paths and polymer bags in parallel with this line, in contact with plates made of material with high thermal conductivity, characterized in that thermoelectric modules are inserted into it, in one contact e with hydraulic paths, and the other side with plates in contact with the polymer bags, a pump pumping the cooled coolant in a closed hydraulic circuit, while the thermoelectric modules cooling each polymer bag are equipped with their own power supply, which is connected to the current polarity switch, and the plates are equipped with temperature sensors connected to a measuring and control device, which, in turn, is connected to a current polarity switch.

Предложенное устройство работает следующим образом. Запускают в работу холодильную машину 1. Включают насос 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре 2, охлажденного в холодильной машине 1 до необходимой минусовой температуры, например до минус 5°С. Подключают к сети электропитания блок питания термоэлектрических модулей 11, благодаря чему электроэнергия через коммутатор полярности 10 поступает в термоэлектрические модули 5, и устройство измерения и контроля температуры 9. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с гидравлическими трактами 4, начинают выделять тепло, которое сбрасывается через теплоноситель замкнутой гидравлической магистрали 2 в холодильный агрегат 1. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с пластинами 6, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, начинают охлаждать верхнюю и нижнюю поверхности полимерного пакета 7, что приводит к ускоренному охлаждению, так как охлаждение происходит одновременно двумя термоэлектрическими модулями 5. Охлажденный теплоноситель проходит по трактам 4 и отводит тепло от горячих поверхностей термоэлектрических модулей 5, поддерживая температуру этих поверхностей стабильной и более низкой, чем температура окружающей среды. При прохождении тока от блока питания 11 через термоэлектрические модули 5 с охлаждаемыми тепловыделяющими поверхностями температура понижается до необходимой наперед заданной температуры, например до минус 50°С. Так как охлаждение пакета 7 происходит по двум поверхностям равномерно, замораживание до заданной температуры происходит за время, не превышающее 30 мин. По истечении этого времени устройство измерения и контроля температуры 9 выдает сигнал о конце процесса замораживания, по которому происходит отключение термоэлектрических модулей 5 от блока питания 11. Быстрозамораживатель переходит в режим хранения полимерного пакета 7 при заданной температуре. Режим хранения, зависящий от теплоизоляции морозильника или термостата, представляет собой процесс периодического включения (подачи питания) термоэлектрических модулей 5 по сигналам, поступающим из устройства измерения и контроля температуры 9 при снижении минусовой температуры, например на один градус. Это значит, что в режиме хранения при температуре минус 49°С происходит подключение термоэлектрических модулей 5 к блоку питания 11, при температуре минус 50°С происходит отключение термоэлектрических модулей 5 от блока питания 11. Перед выгрузкой полимерных пакетов 7 из быстрозамораживателя с пульта управления (на схеме не показано) подается сигнал на коммутатор полярности 10, по которому происходит изменение направления тока, проходящего через термоэлектрические модули 5. Это приводит к плавлению пленки льда на поверхностях пакета 7, исключая его примерзание к пластинам 6.The proposed device operates as follows. Start the refrigeration machine 1. Turn on the pump 3, which circulates the coolant in a closed hydraulic circuit 2, cooled in the refrigeration machine 1 to the required minus temperature, for example to minus 5 ° C. The power supply unit of the thermoelectric modules 11 is connected to the power supply network, due to which the electric power through the polarity switch 10 enters the thermoelectric modules 5, and the temperature measuring and control device 9. The surfaces of the thermoelectric modules 5 in contact with the hydraulic paths 4 begin to generate heat, which is discharged through the coolant closed hydraulic line 2 to the refrigeration unit 1. The surfaces of thermoelectric modules 5 in contact with plates 6 made of material with high thermal conductivity, they begin to cool the upper and lower surfaces of the polymer bag 7, which leads to accelerated cooling, since the cooling occurs simultaneously by two thermoelectric modules 5. The cooled heat carrier passes through the paths 4 and removes heat from the hot surfaces of the thermoelectric modules 5, maintaining the temperature of these surfaces stable and lower than ambient temperature. With the passage of current from the power supply 11 through thermoelectric modules 5 with cooled heat-generating surfaces, the temperature decreases to a predetermined desired temperature, for example, to minus 50 ° C. Since the cooling of the bag 7 occurs uniformly over two surfaces, freezing to a predetermined temperature occurs in a time not exceeding 30 minutes. After this time, the temperature measuring and control device 9 gives a signal about the end of the freezing process, by which the thermoelectric modules 5 are disconnected from the power supply 11. The quick-freezer enters the storage mode of the polymer bag 7 at a given temperature. The storage mode, depending on the thermal insulation of the freezer or thermostat, is a process of periodically turning on (supplying power) of thermoelectric modules 5 according to the signals coming from the temperature measuring and control device 9 when the minus temperature decreases, for example, by one degree. This means that in storage mode at a temperature of minus 49 ° C, thermoelectric modules 5 are connected to the power supply 11, at a temperature of minus 50 ° C, thermoelectric modules 5 are disconnected from the power supply 11. Before unloading the polymer bags 7 from the quick freezer from the control panel ( not shown) a signal is supplied to the polarity switch 10, along which the direction of the current passing through the thermoelectric modules 5 changes. This leads to a melting of the ice film on the surfaces of the packet 7, except I had freezing the plates 6.

Экспериментально доказано, что минимальное время прохождения тока с обратной полярностью для обеспечения надежного плавления пленки льда равно 10 секундам, максимальное время, связанное с теплопроводностью поверхности полимерного пакета, за которое содержимое пакета не может нагреться на один градус, равно 30 секундам.It has been experimentally proved that the minimum transit time of the current with reverse polarity to ensure reliable melting of the ice film is 10 seconds, the maximum time associated with the thermal conductivity of the surface of the polymer bag, during which the contents of the bag cannot be heated by one degree, is 30 seconds.

Предлагаемый быстрозамораживатель полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, или пищевыми продуктами, например фруктами, отличается большой скоростью замораживания, простотой эксплуатации и большой надежностью в работе.The proposed quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, has a high freezing speed, ease of operation and great reliability.

Claims

1. A quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, containing a refrigeration unit with a closed hydraulic line filled with coolant, hydraulic paths and polymer bags in parallel with this line in contact with plates made from a material with high thermal conductivity, characterized in that thermoelectric modules are inserted into it, I contact on one side with hydraulic paths, and on the other side in contact with the plates, which, in turn, are in contact with polymer bags, a pump that pumps coolant in a closed hydraulic circuit, while the thermoelectric modules cooling each polymer bag are equipped with their own power supply, and the plates are equipped with temperature sensors connected to a measurement and control device, which, in turn, is connected to a current polarity switch connected to a thermoelectric power supply module.

2. A method of operating a quick-freezer of polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, or food products, such as fruits, equipped with thermoelectric modules, including loading polymer bags, supplying electricity to thermoelectric modules, cooling polymer bags to a predetermined minus temperature, and unloading polymer bags from a quick-freezer, characterized in that before unloading polymer bags from a quick-freezer to thermoelectric -geometric modules provide electric power for the duration of 10-30 with reverse polarity.