DE1501212C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln durch Kontakt mit Kühlflüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ultraschnellen Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln (oder gegebenenfalls auch anderen Produkten) durch Kontakt mit Kühlflüssigkeiten, indem das zu gefrierende Produkt kontinuierlich auf einem konstanten Förderweg durch einen isolierten, in eine Vorkühlzone und eine Kontaktzone unterteilten Kühltunnel hindurchgeleitet wird, wobei das zu gefrierende Produkt in der Kontaktzone zum Kontakt mit der

⁶S Kühlflüssigkeit gebracht, insbesondere mit der Kühlflüssigkeit besprüht wird, welche dabei zumindest größtenteils zu einem kalten Gas verdampft, das kontinuierlich gesammelt und als Kühlgas zum Vorkühlen des

15 Ol

Produktes in der Vorkühlzone rezirkuliert wird.

Es ist bekannt, daß sogenannte Kühlflüssigkeiten (d. h. flüssiges Kohlendioxyd, flüssiger Stickstoff, flüssige Luft und andere Flüssigkeiten, deren Siedepunkte wesentlich unterhalb von —45°C liegen) vorteilhaft zum Tiefgefrieren von solchen Nahrungsmitteln verwendet werden können, die sich durch die sogenannten »mechanischen Gefriersysteme« nicht befriedigend tiefgefrieren lassen. Unter dem Begriff »mechanische Gefriersysteme« werden dabei Systeme verstanden, die mit Kühlmitteln von relativ hohem Siedepunkt arbeiten, z. B. mit Salzsole, Ammoniak, Freon u. dgl. Als Beispiel für Nahrungsmittel, die sich mit mechanischen Systemen nicht befriedigend tiefgefrieren lassen, können Tomaten, Citrusfrüchte u.dgl. angesehen werden. Bei diesen Typen von Nahrungsmitteln ergibt sich infolge der nur sehr geringen Gefriergeschwindigkeit der mechanischen Systeme eine Bildung von sehr großen Eiskristallen, durch die die empfindlichen Zellenwände der Produkte zerstört werden, so daß sich beim Auftauen ein völliger oder zumindest ein weitgehender Zusammenbruch der Zellenstruktur einstellt.

Mit den eingangs genannten Kühlflüssigkeiten lassen sich dagegen so hohe Gefriergeschwindigkeiten erzielen, daß selbst ein hoher Wassergehalt in den Produkten zu einer im wesentlichen amorphen Eisform gefroren werden kann, so daß die Gefahr eines Zusammenbruchs der Zellenstruktur der gefrorenen Produkte beim Wiederauftauen ganz oder zumindest sehr weitgehend vermieden ist. Zusätzlich haben Kühlflüssigkeiten des eingangs genannten Typs noch den Vorteil, daß sie eine beträchtlich geringere Entwässerung des gefrorenen Produkts hervorrufen und daß sie auch eine beträchtlich geringere Kapitalinvestition (bezogen auf eine vorgegebene Einheit an Gefrierkapazität) erfordern. Darüber hinaus sind sie auch mechanisch in sehr viel geringerem Maße störanfällig, da sie keine kompliziert aufgebauten Teile wie Kompressoren, Kondensatoren oder Verdampfer benötigen.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Geschwindigkeit der Wärmeübertraggung zwischen einem festen Produkt und einer siedenden Kühlflüssigkeit größer ist als zwischen dem Produkt und einem gasförmigen Kühlmittel. Daher wird generell vorgezogen, einen direkten Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Produkt herzustellen, um die latente Wärme der Kühlflüssigkeit in maximalem Umfang ausnutzen zu können. In diesem Zusammenhang hat sich weiterhin noch gezeigt, daß das sogenannte Sprühverfahren (bei dem die Kühlflüssigkeit auf das zu gefrierende Produkt aufgesprüht wird) in den meisten Fällen dem sogenannten Tauchverfahren (bei dem das zu gefrierende Produkt in die Kühlflüssigkeit eingetaucht wird) überlegen ist, und zwar wegen der Tatsache, daß sich beim Eintauchen des Produktes in die Kühlflüssigkeit ein dünner Film aus verdampfter Kühlflüssigkeit um die Oberfläche des Produkts herum ausbildet, die eine Barriere gegen den weiteren Kontakt der Kühlflüssigkeit mit dem Produkt ist. Beim Sprühverfahren dagegen können die Tropfen der versprühten Kühlflüssigkeit, sofern sie eine ausreichend hohe Geschwindigkeit besitzen, ständig den sich um das gefrierende Produkt herum ausbildenden Gasfilm durchdringen, so daß sich eine sehr viel höhere Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ergibt.

Neben der Forderung, die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Produkt auf einem möglichst hohen Wert zu halten, ist auch die weitere Forderung naheliegend, die fühlbare Wärme des sich beim Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Produkt durch Verdampfung ausbildenden, extrem kalten Gases möglichst weitgehend zum Vorkühlen des Produkts auszunutzen, bevor dieses Gas in die freie Atmosphäre abgegeben wird. Daher haben sich die bekannten, in einem sogenannten »offenen« System arbeitenden Gefriereinrichtungen, bei denen das sich aus der Kühlflüssigkeit bildende kalte Gas nicht zum Vorkühlen des Produktes (oder aber gegebenenfalls auch zum erneuten Verflüssigen) ausgenutzt wird, nicht bewährt.

Es sind bereits zahlreiche Versuche gemacht worden, um das sich aus der Kühlflüssigkeit bildende kalte Gas als Kühlgas zum Vorkühlen des Produktes auszunutzen, d. h. um die fühlbare Wärme des Kühlgases auf das Produkt zu übertragen. Diese Versuche sind jedoch aus einer Reihe von Gründen bislang nicht befriedigend erfolgreich gewesen. Beispielsweise wird bei einigen bekanntgewordenen Gefriereinrichtungen das Kühlgas in laminarer Strömung mit dem Produkt zum Wärmeaustausch gebracht. Eine solche laminare Strömung führt jedoch zu nur geringen Geschwindigkeiten der Wärmeübertragung, so daß außerordentlich lange Kühltunnel und außerordentlich hohe Kontaktzeiten erforderlich waren. Bei anderen bekanntgewordenen Gefriereinrichtungen wird eine Anzahl von axial fördernden Gebläsen benutzt, die hintereinander längs des Kühltunnels angeordnet sind und eine schnelle, turbulente Strömung des Kühlgases senkrecht zum Produkt erzeugen. Diese letzten Typen von Gefriereinrichtungen weisen zwar einen beträchtlich verbesserten thermischen Wirkungsgrad auf, aber sie erfordern wegen der Axialgebläse Kühltunnel von größerem Querschnitt, so daß auch die Wärmeverluste entsprechend vergrößert sind. Weiterhin wird auch die Gesamtmenge des Gases in dem verwirbelten Strömungsmuster ziemlich groß mit der Folge, daß eine beträchtliche Energie zum Zirkulieren des Gases aufgewendet werden muß und daß dadurch eine spürbare Menge an unerwünschter Wärme in das System eingeführt wird. Noch wesentlicher ist aber der weitere Nachteil, daß die Gebiete des Kühlgasstromes, die eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit besitzen, ziemlich lokalisiert sind und daß daher das Produkt nicht gleichförmig vorgekühlt wird. Im allgemeinen hat sich gezeigt, daß das Produkt in der Längsachse des Kühltunnels (also das Produkt, das sich bei Verwendung eines durch den Kühltunnel hindurchgeführten Förderbandes befindet) auf eine tiefere Temperatur gekühlt und gefroren ist als das Produkt in der Nähe der Kanten des Förderbandes. Mitunter ist sogar das in der Nähe der Kanten angeordnete Produkt überhaupt nicht gefroren.

In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, daß bei den bekannten Gefriereinrichtungen mit turbulent geführtem Kühlgasstrom eine große Menge an kaltem Gas am Auslaßende des Kühltunnels austritt, wobei zugleich aber warme, meistens auch feuchte Umgebungsluft in den Tunnel eintreten kann. Natürlich vermindert diese warme Luft den thermischen Wirkungsgrad der Gefriereinrichtung wesentlich, und sie verursacht darüber hinaus auch die Bildung von Eisniederschlägen im Kühltunnel und besonders an den Gebläsen, so daß die Einrichtung häufig zum Zweck des Entfrostens abgeschaltet werden muß.

Im übrigen ist es auch bekannt, bei einer Anlage mit einer nach dem Tauchverfahren arbeitenden Kühlkammer und einer Einlaßkammer für das zu kühlende

15 Ol

Produkt mit Hilfe eines Gebläses kaltes Stickstoffgas von der Kühlkammer aus durch die Einlaßkammer wieder zurück zur Kühlkammer zu rezirkulieren, um eine Infiltration von Umgebungsluft in die Einlaßkammer zu vermeiden. Bei dieser Anlage kann jedoch eine Vorkühlung des Produktes nur in einem sehr geringen Ausmaß erreicht werden, weil in der Einlaßkammer nur eine einzige Wärmeaustauschzone zwischen dem Stickstoffgas und dem Produkt vorhanden ist und das Produkt die Einlaßkammer mit nur kurzer Verweilzeit iö durchläuft.

Mit der Erfindung sollen die geschilderten Nachteile beseitigt und das kontinuierliche Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln mittels einer Kühlflüssigkeit dahingehend verbessert werden, daß das zu gefrierende Produkt in der vor dem eigentlichen Tiefgefrieren vorgesehenen Vorkühlzone schnell und gleichförmig durch das aus der Verdampfung der Kühlflüssigkeit entstandene Kühlgas abgekühlt wird und daß dabei der Energieinhalt des Kühlgases möglichst weitgehend nutzbar gemacht wird.

Ausgehend von einem mit Rezirkulation des Kühlgases arbeitenden Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rezirkulation des Kühlgases in der Vorkühlzone in mindestens zwei gesonderten, in Serie aufeinanderfolgenden Rezirkulationszonen durchgeführt wird, indem das Kühlgas von der Kontaktzone aus kontinuierlich der ersten, unmittelbar der Kontaktzone benachbarten Rezirkulationszone zugespeist wird, eine gleich große Gasmenge kontinuierlich von der ersten in die zweite Rezirkulationszone bzw. die folgenden, näher zum Tunnel-Einlaßende liegenden Rezirkulationszonen überführt wird und eine gleich große Gasmenge schließlich von der zweiten bzw. der letzten, dem Tunnel-Einlaßende benachbarten Rezirkulationszone aus dem Kühltunnel abgezogen wird, wobei die Temperaturen in der ersten Rezirkulationszone niedriger als in den folgenden Rezirkulationszonen gehalten werden und wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den Rezirkulationszonen auf einen zur Bildung einer turbulenten Strömung ausreichend hohen Wert eingestellt wird.

Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß die Rezirkulation des Kühlgases zwar die Einstellung hoher Gasgeschwindigkeiten ermöglicht, die zu turbulenten Strömungsbedingungen führen und damit einen guten und schnellen Wärmeübergang zwischen dem Kühlgas und dem vorzukühlenden Produkt fördern, daß andererseits aber eine einzige Rezirkulationszone grundsätzlich keine ausreichende Kühlgeschwindigkeit bzw. keine ausreichende Ausnutzung des Energieeinhaltes des Kühlgases zuläßt. Durch die erfindungsgemäße Unterteilung der Vorkühlzone in mindestens zwei Rezirkulationszonen kann dagegen bei hoher Kühlgeschwindigkeit, die aus Gründen der Endqualität -des zu gefrierenden Produktes sehr wichtig ist, eine nahezu völlige Ausnutzung des Energieinhaltes des Kühlgases erreicht werden. Schon in der ersten Rezirkulationszone kann nämlich eine verhältnismäßig große Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlgas und dem vorzukühlenden Produkt eingestellt werden, was eine entsprechend hohe Kühlgeschwindigkeit zur Folge hat. Das dabei abgegebene Kühlgas, das noch einen nennenswerten Energieinhalt besitzt, bildet das kalte Eingangsgas für die nächste, progressiv wärmere Rezirkulationszone und kann dort erneut bei verhältnismäßig großer <>5 Temperaturdifferenz, also mit hoher Kühlgeschwindigkeit, zum Wärmeaustausch mit dem vorzukühlenden Produkt gebracht werden. Auf diese Weise läßt sich in den aufeinanderfolgenden Rezirkulationszonen — bei hoher Kühlgeschwindigkeit in jeder Zone — der Energieinhalt des Kühlgases stufenweise so weit auszunutzen, daß das Kühlgas praktisch den gesamten Energieinhalt auf das Produkt überträgt und aus der letzten Rezirkulationszone ohne wesentlichen Energieverlust abgelassen werden kann.

Um unnütze Energieverluste beim Ablassen des vollständig ausgenutzten Kühlgases zu vermeiden und die Anlage gegen ein Eindringen von Umgebungsluft zu sichern, ist in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein kleiner Teil des Kühlgases in einem Raum unmittelbar benachbart dem Auslaßende des Kühltunnels mit konstantem Pegelstand gesammelt wird, wobei diejenige Gasmenge, die entsprechend dem eingespeisten Kühlgasstrom kontinuierlich aus der zweiten bzw. der letzten Rezirkulationszone abgezogen wird, in Abhängigkeit von dem Pegelstand des in der Nähe des Auslaßendes des Kühltunnels gesammelten Gases so einjustiert wird, daß der Pegelstand nahezu konstant bleibt.

Zur Durchführung des vorangehend umrissenen Verfahrens ist in weiterer Verfolgung des Erfindungsgedankens eine Vorrichtung vorgesehen, die zur Förderung des Produktes durch den Kühltunnel ein Förderband besitzt, dessen mindestens eines das Produkt tragende Trum sich durch die Vorkühlzone und die Kontaktzone im Kühltunnel hindurch erstreckt, wobei in der Kontaktzone eine Einrichtung zum Tiefgefrieren des Produkts mittels der Kühlflüssigkeit sowie in der Vorkühlzone eine Rezirkulationseinrichtung für das Kühlgas angeordnet sind. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkühlzone des Kühltunnels "zwei in Serie aufeinanderfolgende, im wesentliche ι geschlossene Umlaufwege für das Kühlgas gebildet sind, die jeweils einen Vorkühlkanal und einen Gasrückstromkanal enthalten und das das Produkt tragende Trum des Förderbandes durch die beiden Kühlkanäle hindurchgeführt ist, wobei zwischen der Tiefgefriereinrichtung in der Kontaktzone und dem damit benachbart liegenden ersten Umlaufweg für das Kühlgas eine Gaseinlaßöffnung zwischen dem ersten Umlaufweg und dem zweiten Umlaufweg eine Gasdurchgangsöffnung und zwischen dem zweiten Umlaufweg und dem Tunnel-Einlaßende eine Gasauslaßöffnung vorgesehen sind und wobei in beiden Umlaufwegen Gebläse zum Rezirkulieren des Kühlgases mit einer für turbulente Strömung mindestens in den beiden Vorkühlkanälen ausreichend hohen Geschwindigkeit angeordnet sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in einem bevorzugten Ausführungsbeispiei anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellt dar

Fig. IA im Längsschnitt den Einlaßteil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gefriereinrichtung,

F i g. 1B im Längsschnitt den Auslaßteil der in F i g. 1A gezeigten Gefriereinrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt in der Ebene 2-2 der F i g. 1A,

F i g. 3 einen Schnitt in der Ebene 3-3 der F i g. 1A,

F i g. 4 einen Schnitt in der Ebene 4-4 der F i g. 1B.

Die zeichnerisch dargestellte Gefriereinrichtung besitzt die Form eines länglichen Tunnels 10, der auf einem Grundgestell 12 von geeigneter Höhe befestigt ist. Der Tunnel 10 hat einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und ist aus einem U-förmigen Bodenteil 14 sowie mehreren ebenfalls U-förmigen Deckteilen 16, 18 und 20 gebildet. Jedes dieser Teile ist

15 Ol

dabei vorzugsweise aus einer dünnschichtigen Außenwand 22, einer dünnschichtigen Innenwand 24 und einer dazwischen angeordneten Wärmeisolierung 26 (beispielsweise Schaum-Polyurethan oder Schaum-Polystyrol) zusammengesetzt. Da die Gefriereinrichtung hauptsächlich zum Einfrieren von menschlichen Nahrungsmitteln gedacht ist, bestehen die Wände 22 und 24 zweckmäßig aus Blechen aus rostfreiem Stahl, sie können aber auch aus Aluminium oder Fiberglas oder anderen für die Behandlung von Nahrungsmitteln zugelassenen Materialien bestehen. Im übrigen sind, um Wärmeverluste auf einem Minimum zu halten, in sämtlichen Trennfugen zwischen den aneinanderstoßenden Teilen 14 bis 20 geeignete Dichtungen, beispielsweise Dichtungseinlagen 28 aus Schaumgummi, eingelegt.

Das einzufrierende Produkt wird (bezogen auf die Fig. IA und 1 B) von links nach rechts durch den Tunnel 10 hindurch bewegt, und zwar mittels eines Förderbandes 30. Dieses Förderband besteht aus einem Siebgewebe aus rostfreiem Stahl und läuft in einer endlosen Bahn um eine Umlenkwalze 32 sowie eine Antriebswalze 40 herum. Das obere Trum dieses Förderbandes stützt sich dabei auf einer Anzahl von umgekehrt U-förmigen Tragelementen 34 (vgl. F i g. 4) ab, die in das Bodenteil 14 des Tunnels eingesetzt sind, sich aber zum Zweck der periodischen Reinigung des Tunnels leicht herausnehmen lassen. In der Nähe des Tunnelauslaufendes (also des rechten Tunnelendes in F i g. 1 B) sind die Kanten des oberen Förderbandtrums unter reibungsarmen Führungen 36 hindurchgeführt. Hinter diesen Führungen steigt das obere Förderbandtrum dann entlang einer Führungsplatte 38, die ein Thermoelement 39 trägt, schräg nach oben an, bis es schließlich die Antriebswalze 40 erreicht. Von der Antriebswalze 40 aus läuft das untere Trum des Förderbandes 30 auf der inneren horizontalen Bodenfläche 46 des Bodenteils 14 zur Umlenkwalze 32 zurück. Dabei passiert das untere Förderbandtrum noch eine in der Nähe des linken Endes des Bodenteils 14 angeordnete Laufwalze 48.

Zum Antrieb des Förderbandes 30 dient ein Elektromotor 44 mit variabler Geschwindigkeit, der über ein Untersetzungsgetriebe 42 und einen Treibriemen 41 mit der Antriebswalze 40 verbunden ist.

Wie sich am deutlichsten aus Fig. IA und 3 ergibt, sind die Achsen 48' und 32' der Walzen 48 bzw. 32 in geeigneter Weise in den vertikalen Seitenwänden einer nach oben offenen Wanne 50 gelagert. Diese Wanne 50 dient in weiter unten noch genauer beschriebener Weise als Sammler für dasjenige Kühlgas, das im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem Produkt den Tunnel durchlaufen hat und an dessen Einlaßende austritt. Um dieses Gas aus der Wanne 50 abzusaugen, ist ein Sauggebläse 52 vorgesehen, das über ein Verbindungsrohr 51 mit dem Boden der Wanne 50 verbunden ist und das das Gas über eine Auslaßleitung 54 an eine weiter abgelegene Stelle transportiert, an der es z. B. in die freie Atmosphäre abgegeben werden kann.

In dem Deckteil 20 ist ein Sprühkopf 56 untergebracht, der mit einer Mehrzahl von Sprühdüsen 58 besetzt ist. Die Sprühdüsen sind dabei so angeordnet, daß sie einander leicht überlappende Gebiete des Förderbandes 30 mit einer Kälteflüssigkeit, z. B. mit flüssigem Stickstoff, besprühen können. Unmittelbar unterhalb der Düsen ist in der Bodenfläche des Bodenteils 14 eine kleine Ausnehmung 60 vorgesehen, in der sich überschüssige Kälteflüssigkeit sammeln kann. Von der Ausnehmung 60 aus wird diese überschüssige Kälteflüssigkeit über eine Leitung 62 zu der (nicht dargestellten) Pumpe zurückgeführt, die die Kälteflüssigkeit dem Sprühkopf 56 zuspeist.

Um die fühlbare Wärme des Kältegases, das sich durch Verdampfen der Kälteflüssigkeit bei Kontakt mit dem zu gefrierenden Produkt in der Sprühkammer bildet, möglichst wirksam auszunutzen, sind innerhalb des Tunnels 10 zwei Rezirkulationszonen vorgesehen, die von dem Kältegas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden. Diese Rezirkulationszonen sind durch Trennwände 64a und 646 gebildet, die sich in Längsrichtung des Tunnels erstrecken und diesen in einen unteren Kanal 66a, 666 sowie einen oberen Kanal 68a, 686 unterteilen. Im unteren Kanal erfolgt dabei der Kontakt zwischen dem Gas und dem Produkt, während im oberen Kanal die Zurückführung des Gases erfolgt. Die Trennwände 64a und 64b sind, wie sich am deutlichsten aus F i g. 4 ergibt, mit ihren Kanten in die Trennfuge zwischen dem Bodenteil 14 und dem zugeordneten Deckteil 16 bzw. 18 des Tunnels eingeschoben und durch Zapfen 70 in ihrer Lage gehalten. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich die Trennwände zum Zweck der periodischen Säuberung des Tunnels schnell und bequem ausbauen lassen.

An dem der Sprühkammer zugekehrten Ende ist die Trennwand 646 mit einer gewölbt abgebogenen Endkante 726 versehen, die zusammen mit einem gekrümmten Leitblech 746 einen Umkehrkanal für das strömende Gas bildet. Das Leitblech 74b ist dabei vorzugsweise an der Innenwand des Deckteils 18 befestigt. Am entgegengesetzten Ende des Tunnels ist durch eine gewölbte Endkante 72a an der Trennwand 64a sowie durch ein gekrümmtes Leitblech 74a ein zweiter Umkehrkanal für das strömende Gas gebildet. Dieser zweite Umkehrkanal besitzt jedoch im Gegensatz zu dem erstgenannten Umkehrkanal einen variablen Querschnitt. Zu diesem Zweck ist das untere Ende des Leitbleches 74a durch eine schwenkbare Steuerplatte 76 gebildet, deren Lage, wie Fig.3 erkennen läßt, mittels einer geeigneten, über ein Gestänge 75 angeschlossenen Steuereinrichtung 77 verändert werden kann.

Die angestrebte hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den beiden Rezirkulationszonen wird durch zwei Gebläse 78a und 786 bewirkt, die, damit sie nicht durch die Bildung von Eisniederschlägen beeinträchtigt werden können, mit ungekrümmten Radialschaufeln 79 versehen sind. Diese Gebläse sowie auch ihre zugeordneten Auslaßleitungen 80a und 806 sind vorzugsweise an einer isolierten Haube 82 befestigt, deren Seitenkanten auf dem U-förmigen Bodenteil 14 des Tunnels ruhen. Dadurch kann die gesamte Gebläseanordnung schnell und bequem ausgebaut werden. Im übrigen befindet sich zwischen den beiden Gebläsen noch eine senkrecht verlaufende Trennwand 92, die ebenfalls an der Haube 82 befestigt ist und mit ihrer Unterkante in der Ebene der horizontalen Trennwand 64a und 646 endet.

Die Antriebswellen 84a und 846 der beiden Gebläse 78a und 786 sind in den Seitenwänden der Haube 82 gelagert und an ihrem einen Ende (außerhalb der Haube) über Antriebsscheiben 86a bzw. 866 sowie Treibriemen 88a bzw. 886 mit zwei Antriebsmotoren 90a bzw. 906 verbunden. Aus Gründen, die weiter unten noch genauer dargelegt werden, muß das Gebläse 78a mit einer höheren Geschwindigkeit laufen als das Gebläse 786. Diese Forderung läßt sich erfüllen durch Verwendung von unterschiedlich großen Antriebsschei-

709 633/6

15 Ol 212

ίο

ben 86 oder durch Verwendung von unterschiedlich schnell laufenden Motoren 90.

Im Betriebszustand der Gefriereinrichtung wird das zu gefrierende Produkt an dem Einlaßende des Tunnels 10 (also am linken Ende in der zeichnerischen Darstellung) auf das obere Trum des Förderbandes 30 aufgegeben. Das Produkt durchläuft sodann auf dem Förderband nacheinander die beiden Kanäle 66a und 666, die zu den beiden Gas-Rezirkulationszonen gehören. Danach läuft das Produkt unter den Sprühdüsen 58 durch und wird dort mit einer Kälteflüssigkeit (z. B. dem schon vorangehend erwähnten flüssigen Stickstoff, der eine Temperatur von —196°C besitzt) besprüht. Nach dem Verlassen der Sprühzone wird das Produkt in dem entlang der schrägen Führungsplatte 38 ansteigenden Abschnitt des Förderbandes 30 auf eine gegenüber dem Hauptteil des Förderbandes höher gelegene Ebene angehoben und dann schließlich über eine Schute 94, die an der stirnseitigen Endwand 96 des Tunnels 10 befestigt ist, zur nächsten Bearbeitungsstation (die z. B. eine Verpackungsmaschine sein kann) abgegeben.

Bei der Abgabe aus der Gefriereinrichtung kann das Produkt je nach der eingestellten Geschwindigkeit des Förderbandes entweder kerngefroren oder nur krustengefroren sein. In beiden Fällen entsteht jedoch durch den Kontakt des flüssigen Stickstoffs mit dem verhältnismäßig warmen Produkt eine starke Verdampfung des Stickstoffs, da dessen latente Wärme auf das Produkt übertragen wird. Mithin wird in der Sprühkammer ständig eine gewisse Menge an extrem kaltem gasförmigem Stickstoff erzeugt, wobei unter der Voraussetzung von konstant bleibenden Betriebsparametern angenommen werden kann, daß die Menge an erzeugtem Stickstoff zeitlich praktisch konstant bleibt.

Die Geschwindigkeit der Gebläse 78a und 786 sind so eingestellt, daß das in der Sprühzone erzeugte Gas, wie durch den Pfeil A angedeutet ist, im Gegenstrom zur Laufrichtung des Produktes abströmt. Natürlich fließt auch eine geringe Menge des in der Sprühzone erzeugten Gases zum Produkt-Auslaßende des Tunnels ab. Da jedoch das Gas wegen seiner extrem niedrigen Temperatur eine sehr hohe Dichte besitzt, die näherungsweise das Doppelte der Dichte der warmen Umgebungsluft beträgt, verhält es sich praktisch wie eine Flüssigkeit, d. h., es sucht sich einen möglichst niedrig gelegenen Pegelstand. Dies bedeutet, daß das Kühlgas am Auslaßende des Tunnels 10 durch Einstellung der Gebläsegeschwindigkeiten auf einem nahezu konstanten Pegel 98 gehalten werden kann, der oberhalb der Ebene der Kanäle 66a und 666 liegt, aber noch etwas unterhalb der Oberkante der stirnseitigen Endwand 96. Der hydrostatische Druck des dichten Kühlgases verhindert dabei, daß wesentliche Mengen dieses Gases über die Oberkante der Wand % hinweg nach außen strömen können, so daß im Ergebnis das Kühlgas am Auslaßende des Tunnels eine »Dichtung« bildet, die den Eintritt der warmen Umgebungsluft in den Tunnel verhindert.

Da mithin das in der Sprühkammer erzeugte Kühlgas praktisch nicht am Auslaßende des Tunnels entweichen kann, enthält der im Gegenstrom zum Produkt abfließende Gasstrom A nahezu die gesamte Menge am erzeugten Kühlgas. Dieser Gasstrom A mischt sich hinter dem Leitblech 746 mit dem rezirkulierten Gasstrom B. Die vereinigten Gasströme A und B fließen sodann im Gegenstrom zum Produkt durch den Kanal 666 hindurch zum Einlaßende des Gebläses 786, wobei sie eine kräftige Vorkühlung des Produktes bewirken. Das Gebläse 786 arbeitet mit konstantem Fördervolumen und ist daher nicht in der Lage, die Summe an Rezirkulationsgas B plus neu erzeugtem Gas A zu bewältigen. Daher fließt im Bereich des Gebläses 786 eine Gasmenge C, die etwa der Menge an neu erzeugtem Gas A entspricht, unter der senkrechten Trennwand 92 hindurch zum Einlaßende des Gebläses 78a.

ίο Wie bereits erwähnt, besitzt das Gebläse 78a eine höhere Geschwindigkeit und damit eine entsprechend höhere Kapazität, so daß es den Gasstrom Czusätzlich zu dem ihm zugeordneten Rezirkulationsstrom D, der zusammen mit dem Gasstrom C am Einlaßende des Gebläses 78a ankommt, aufnehmen kann. Die sich aus der Vereinigung der Gasströme C und D ergebende Gasmenge wird von dem Gebläse 78a über den Kanal 68a zu dem vorderen Umkehrkanal im Bereich des Leitbleches 74a geführt. Dieser Umkehrkanal ist durch Einstellung der Steuerplatte 76 so einjustiert, daß der über den Kanal 68a ankommende Gasstrom in zwei Teilströme D und E aufgeteilt wird. Der Teilstrom D fließt dabei als Rezirkulationsstrom zum Gebläse 78a zurück und bewirkt eine Kühlung des Produktes im Gleichstrom. Der Strom E fließt dagegen unter der Steuerplatte 76 hindurch durch das Einlaßende des Tunnels 10 nach außen in die Wanne 50 hinein. Natürlich ist die Menge des Stromes E(wegen der vorausgesetzten stationären Betriebsbedingungen) gleich der Menge des Gasstromes Cund damit also auch gleich der Menge des Gasstromes A.

In der Wanne 50 wird der Gasstrom E über das Gebläse 52 und die Auslaßleitung 54 abgesaugt und an einem weiter abgelegenen Punkt in die freie Atmosphäre abgegeben bzw. einer erneuten Verflüssigung zugeführt. Falls jedoch die Kühlflüssigkeit kein flüssiger Stickstoff ist, sondern aus flüssiger Luft besteht, und falls der in die Wanne 50 einfließende Gasstrom nicht wieder erneut verflüssigt werden soll, kann auch auf die Verwendung des Gebläses 52 und der Auslaßleitung 54 verzichtet werden. Der Hauptzweck dieser beiden Teile besteht nämlich darin, im Falle der Verwendung von flüssigem Stickstoff zu verhindern, daß sich in der Nähe des Einlaßendes des Tunnels eine sauerstoffarme oder sauerstofffreie Atmosphäre ausbilden kann, die den Bedienungspersonen ein Arbeiten am Tunneleinlaß unmöglich machen würde.

Aus der vorangehenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ergibt sich, daß in den Kanälen 66a und 666 sehr schnelle, turbulente Gasströme erzeugt werden können und daß damit hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeiten möglich sind. Zusätzlich dazu ist das Strömungsprofil des Kühlgases im Querschnitt der Kammern 66a und 666 über die Breite des Förderbandes hinweg praktisch konstant, und ".war wegen der Tatsache, daß der Druckabfall in den Rezirkulationskanälen als hochwirksamer Diffusor wirkt und das Geschwindigkeitsprofil des Gases ausglättet. Dadurch wird das Produkt über die gesamte Breite des Förderbandes hinweg gleichförmig vorgekühlt und damit auch in der Sprühzone im gleichen Ausmaß eingefroren.

Ein weiterer Vorteil liegt in der präzisen Steuerung der Gasstromaufteilung, die durch die einstellbare Steuerplatte 76 vorgenommen werden kann. Durch diese Steuerung läßt sich der nach außen abgegebene Gasstrom E vergrößern (durch Verschwenken" der Platte in Uhrzeigerrichtung aus der zeichnerisch

15 Ol 212

dargestellten Position heraus) oder auch verkleinern (durch Verschwenken der Platte entgegen der Uhrzeigerrichtung). Für die Platte 76 gibt es bei jeder stationären Betriebsbedingung eine optimale Einstellung, denn bei jeder stationären Betriebsbedingung ist eine konstante Geschwindigkeit der Gaserzeugung in der Sprühkammer vorhanden. Eine Einstellung der Steuerplatte derart, daß der nach außen abgegebene Gasstrom E zu gering ist, würde nämlich dazu führen, daß der Gaspegel 98 am Auslaßende des Tunnels ansteigt und daß somit beträchtliche Gasmengen am Auslaßende des Tunnels austreten. Umgekehrt würde eine zu große Einstellung des nach außen austretenden Gasstromes fdazu führen, daß sich der Gaspegel 98 zu stark absenkt und dann seine Dichtungsfunktion verliert.

Um Fehleinstellungen der Steuerplatte 76 und die damit verbundenen Folgen zu vermeiden, ist das Thermoelement 39 vorgesehen. Dieses Thermoelement tastet den Gaspegel 98 am Alislaßende des Tunnels ab und überträgt ein Steuersignal an die Steuereinrichtung 77 der Steuerplatte 76. Dadurch wird die Steuerplatte 76 automatisch stets so eingestellt (bzw. nachjustiert), daß der Gaspegel 98 am Auslaßende des Tunnels praktisch konstant bleibt.

Die vorangehend beschriebene Gefriereinrichtung läßt sich so auslegen, daß sie mit in weiten Grenzen variierenden Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturprofilen betrieben werden kann. Zur Veranschaulichung sein dabei erwähnt, daß sich bei einem praktisch erprobten Prototyp von etwa 6V2 m Tunnellänge und etwa 40 cm Förderbandbreite sehr befriedigende Ergebnisse gezeigt haben, wenn die Gebläse 78a und 786 mit einer Leistung von 14,7 bzw. 13,2 cbm/Min. betrieben wurden. Bei diesen Bedingungen ergab sich in den Kanälen 66a und 66b eine hochturbulente Gasströmung, die jedoch noch nicht eine so hohe Geschwindigkeit besaß, daß sie zu einer wesentlichen Entwässerung des Produkts (etwa analog den üblichen »Gebläse-Gefriereinrichtungen«) führte. Im stationären Betriebszustand dieses Prototyps lag die Gastemperatur an der Stelle der Mischung der Gasströme A und B in der Größenordnung von — 70⁰C und am Einlaß des Gebläses 78Z> in der Größenordnung von -58°C. Zur gleichen Zeit lag die Gastemperatur im Bereich des Leitbleches 74a in der Größenordnung von -20,5° C und am Einlaß des Gebläses 78a in der Größenordnung von — 16°C. Mithin wurde die der Sprühkammer benachbart liegende Rezirkulationszone mit einem Temperaturgradienten von 12° C betrieben und die dem Einlaßende benachbarte Rezirkulationszone mit einem Temperaturgradienten von 4°C. Im Ergebnis war es damit möglich, das Produkt in weniger als 5 Minuten auf eine Temperatur von —31,7°C tiefzugefrieren.

Natürlich können an der vorangehend an Hand der Zeichnungen erläuterten Gefriereinrichtung noch zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise müssen nicht unbedingt zwei Rezirkulationszonen für das Kühlgas vorgesehen sein, sondern es kann jede gewünschte Anzahl von Rezirkulationszonen verwendet werden. Außerdem können die Gebläse dieser Rezirkulationszonen auch so angeordnet sein, daß sie das Gas bei jeder der Zonen in der gleichen Umlaufrichtung rezirkulieren und nicht, wie bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel, in gegenläufigen Richtungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

15 Ol 212 Patentansprüche:

1. Verfahren zum ultraschnellen Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln durch Kontakt mit Kühlflüssigkeiten, indem das zu gefrierende Produkt kontinuierlich auf einem konstanten Förderweg durch einen isolierten, in eine Vorkühlzone und eine Kontaktzone unterteilten Kühltunnel hindurchgeleitet wird, wobei das zu gefrierende Produkt in der Kontaktzone zum Kontakt mit der Kühlflüssigkeit gebracht, insbesondere mit der Kühlflüssigkeit besprüht wird, weiche dabei zumindest größtenteils zu einem kalten Gas verdampft, das kontinuierlich gesammelt und als Kühlgas zum Vorkühlen des Produktes in der Vorkühlzone rezirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulation des Kühlgases in der Vorkühlzone in mindestens zwei gesonderten, in Serie aufeinanderfolgenden Rezirkulationszonen durchgeführt wird, indem das Kühlgas von der Kontaktzone aus kontinuierlich der ersten, unmittelbar der Kontaktzone benachbarten Rezirkulationszone zugespeist wird, eine gleich große Gasmenge kontinuierlich von der ersten in die zweite Rezirkulationszone bzw. die folgenden, näher zum Tunnel-Einlaßende liegenden Rezirkulationszonen überführt wird und eine gleich große Gasmenge schließlich von der zweiten bzw. der letzten, dem Tunnel-Einlaßende benachbarten Rezirkulationszone aus dem Kühltunnel abgezogen wird, wobei die Temperaturen in der ersten Rezirkulationszone niedriger als in den folgenden Rezirkulationszonen gehalten werden und wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den Rezirkulationszonen auf einen zur Bildung einer turbulenten Strömung ausreichend hohen Wert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil des Kühlgases in einem Raum unmittelbar benachbart dem Auslaßende des Kühltunnels mit konstantem Pegelstand gesammelt wird, wobei diejenige Gasmenge, die entsprechend dem eingespeisten Kühlgasstrom kontinuierlich aus der zweiten bzw. der letzten Rezirkulationszone abgezogen wird, in Abhängigkeit von dem Pegelstand des in der Nähe des Auslaßendes des Kühltunnels gesammelten Gases so einjustiert wird, daß der Pegelstand nahezu konstant bleibt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Förderung des Produkts durch den Kühltunnel ein Förderband vorgesehen ist, dessen mindestens eines das Produkt tragende Trum sich durch die Vorkühlzone und die Kontaktzone im Kühltunnel hindurch erstreckt, wobei in der Kontaktzone eine Einrichtung zum Tiefgefrieren des Produkts mittels der Kühlflüssigkeit sowie in der Vorkühlzone eine Rezirkulationseinrichtung für das Kühlgas angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkühlzone des Kühltunnels (10) zwei in Serie aufeinanderfolgende, im wesentlichen geschlossene Umlaufwege (66a, 68a und 666,68b) für das Kühlgas gebildet sind, die jeweils einen Vorkühlkanal (66a, 666,} und einen Gasrückstromkanal (68a, 6Sb) enthalten und das das Produkt tragende Trum des Förderbandes (30) durch die beiden Kühlkanäle hindurchgeführt ist, wobei zwischen der Tiefgefriereinrichtung (56) in der Kontaktzone und dem damit benachbart liegenden ersten Umlaufweg (666, 686,/

für das Kühlgas eine Gaseinlaßöffnung (Gasstrom A), zwischen dem ersten Umlaufweg und dem zweiten Umlaufweg (66a, 68a) eine Gasdurchgangsöffnung (Gasstrom C) und zwischen dem zweiten Umlaufweg und dem Tunnel-Einlaßende eine Gasauslaßöffnung (Gasstrom E) vorgesehen sind und wobei in beiden Umlaufwegen Gebläse (78) zum Rezirkulieren des Kühlgases (Gasströme B und D) mit einer für turbulente Strömung mindestens in den beiden Vorkühlkanälen ausreichend hohen Geschwindigkeit angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden geschlossenen Umlaufwege (66a, 68a und 666,686^ für das Kühlgas durch je eine horizontale, im Kühltunnel (10) parallel zum Verlauf des Förderbandes (30) angeordnete Trennwand (64a, 646^ gebildet sind, die den Innenraum des Kühltunnels in jeweils den Vorkühlkanal und den Gasrückstromkanal unterteilen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Umlaufwege (66a, 68a und 666, 686,) ein gesondertes Gebläse (78a und 786,)angeordnet ist, wobei das dem zweiten, dem Tunnel-Einlaßende benachbarten Umlaufweg (66a, 68a) zugeordnete Gebläse (78a) eine höhere Förderleistung besitzt als das Gebläse (786,) in dem ersten, der Kontaktzone benachbart liegenden Umlaufweg (666,686,).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zum Tunnel-Einlaßende offenen Ende des zweiten Umlaufweges (66a, 68a) eine Steuereinrichtung (76,77) angeordnet ist, die die Menge des austretenden Gasstromes regelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Tunnel-Auslaßende durch eine stirnseitige Tunnel-Endwand (96) eine Gas-Sammelkammer gebildet ist, in der eine Abtasteinrichtung (39) angeordnet ist, die mit der Steuereinrichtung (76, 77) zusammenwirkt und durch Beaufschlagung dieser Steuereinrichtung den Pegel (98) des Gases in der auslaßseitigen Sammelkammer konstant hält, wobei das das Produkt tragende Trum des Förderbandes (30) auf dem größten Teil seines Laufweges unterhalb des Gaspegels (98) liegt, am Tunnel-Auslaßende aber schräg bis oberhalb dieses Gaspegels hochgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Gebläse (78) in den beiden Umlaufwegen (66,68) Zentrifugalgebläse mit nichtgekrümmten Radialschaufeln sind.