DE1501212C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln durch Kontakt mit Kühlflüssigkeiten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Tiefgefrieren von Nahrungsmitteln durch Kontakt mit KühlflüssigkeitenInfo
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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
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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
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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
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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)
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.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US46319665 | 1965-06-11 | ||
DEA0052704 | 1966-06-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1501212C2 true DE1501212C2 (de) | 1977-08-18 |
Family
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