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Bereich der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Gefrieren von Produkten und insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gefrieren von Nahrungsmitteln.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von flüssigem
Stickstoff zum Gefrieren von Nahrungsmitteln hat sich im Laufe der
letzten 30 Jahre erheblich erhöht.
Die Verbesserung der Qualität
der gefrorenen Nahrungsmittel hierdurch ist bekannt. Da jedoch flüssiger Stickstoff
im Moment nur zum Gefrieren von hochwertigen teuren Nahrungsmitteln
verwendet wird, verhindern die Kosten eine Verwendung, um solche
Nahrungsmittel zu gefrieren, die nicht einen hochwertigen Preis
bedingen. Solche Nahrungsmittel werden typischerweise eingefroren,
indem mechanische Kühlung
verwendet wird.
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Im
Laufe der Jahre wurden viele Anstrengungen gemacht, um die Menge
des flüssigen
Stickstoffes zu reduzieren, die notwendig ist, eine bestimmte Menge
von Nahrungsmitteln einzufrieren, und nach und nach wurde es ökonomisch
machbar, flüssigen Stickstoff
zu verwenden, um eine sich erhöhende
Anzahl von Nahrungsmitteln zu gefrieren.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf, diesen Trend vorzuführen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Gefrieren eines Produktes angegeben,
wobei dieses Verfahren die Schritte Verdampfen einer kryoge nen Flüssigkeit
und Aufwärmen
des so gebildeten Dampfes in indirektem Wärmeaustausch mit einem zu gefrierenden
Produkt, anschließendes Expandieren
des aufgewärmten
Dampfes mit Fremdenergie und Verwenden des so erhaltenen mit Fremdenergie
expandierenden Dampfes zum Kühlen
des oder eines anderen Produktes aufweist.
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Während als
kryogene Flüssigkeit üblicherweise
flüssiger
Stickstoff dient, kann auch eine andere kryogene Flüssigkeit
verwendet werden, so zum Beispiel flüssige Luft.
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Wenn
es erwünscht
ist, kann der mit Fremdenergie expandierte Dampf in direkten Wärmeaustausch
mit dem Produkt gebracht werden, um dieses zu gefrieren. Alternativ
kann der mit Fremdenergie expandierte Dampf in indirekten Wärmeaustausch mit
dem Produkt gebracht werden, um dieses zu gefrieren.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren den Schritt auf, die während der Expansion mit Fremdenergie
rückgewonnene
Energie zu verwenden, um Wasser aufzuheizen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Verfahren den Schritt einschließen, die während der Expansion mit Fremdenergie
rückgewonnene
Energie zu verwenden, um einen Turbulenzen induzierenden Ventilator
anzutreiben.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Verfahren den Schritt einschließen, zumindest einen Teil der rückgewonnenen
Fremdenergie während
der Expansion mit Fremdenergie zu verwenden, um zumindest teilweise
einen mechanischen Kühler
mit einem gekühlten
Raum zu betreiben.
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Bei
einer Ausführungsform
schließt
das Verfahren den Schritt ein, das Produkt durch den gekühlten Raum
zu leiten, nachdem es mit kryogener Flüssigkeit gefroren wurde.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
schließt das
Verfahren den Schritt ein, das Produkt durch den gekühlten Raum
zu leiten, bevor es mit kryogener Flüssigkeit gefroren wird.
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In
bevorzugter Weise ist die kryogene Flüssigkeit flüssiger Stickstoff, wobei das
Verfahren den Schritt einschließt,
flüssigen
Stickstoff mit einem Druck größer als
5 bar g, vorzugsweise größer als
10 bar g und bevorzugterweise größer als
15 bar g und vorteilhafterweise weniger als 20 bar g zuzuführen.
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Vorzugsweise
ist das Produkt ein Nahrungsmittel.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
weiterhin eine Vorrichtung zum Gefrieren eines Produktes vor, wobei
die Vorrichtung einen Gefriertunnel, einen Förderer zum Fördern des
zu gefrierenden Produktes durch den Gefriertunnel, einen Wärmetauscher
in dem Gefriertunnel und einen Fremdenergie-Expander aufweist, wobei
die Anordnung derart ist, dass im Betrieb eine kryogene Flüssigkeit
in dem Wärmetauscher
verdampft und aufgewärmt
werden kann, der so gebildete Dampf in dem Fremdenergie-Expander expandiert
und anschließend
dazu verwendet wird, das Produkt in dem Gefriertunnel weiter zu
kühlen.
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Bevorzugt
weist die Vorrichtung ferner einen zweiten Wärmetauscher auf, um expandierten Dampf
von dem Fremdenergie-Expander durch den Gefriertunnel in indirektem
Wärmeaustausch
mit dem Produkt zu fördern.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung Einrichtungen auf, um Energie von dem Fremdenergie-Expander
in Wasser zu übertragen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Fremdenergie-Expander mit einem Ventilator verbunden, um
Turbulenzen in dem Gefriertunnel zu induzieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung einen mechanischen Kühler auf, der mit einem Kompressor
verbunden ist, und Einrichtungen, um während des Betriebes Energie von
dem Fremdenergie-Expander zu dem Kompressor zu übertragen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Fremdenergie-Expander direkt mit dem Kompressor
verbunden sein.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist der Fremdenergie-Expander mit einem Generator verbunden, der
Kompressor mit einem Motor verbunden und der Generator mit dem Motor
verbunden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung eine Leistungssteuereinheit auf, wobei der Generator
mit dem Motor über
diese Leistungssteuereinheit verbunden ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Leistungssteuereinheit mit dem Versorgungsnetz verbindbar und
fähig,
während
des Betriebes, falls erforderlich, Energie aus dem Netz an den Motor zu
liefern.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
der mechanische Kühler
einen Wärmetauscher auf,
der ausgelegt ist, komprimiertes Kühlmittel aus dem Kompressor
in Wärmeaustausch
mit expandiertem Dampf aus dem Gefriertunnel zu kühlen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der mechanische Kühler
einen gekühlten Raum.
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Bei
einer Ausführungsform
ist der gekühlte Raum
stromabwärts
des Gefriertunnels gelegen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist der gekühlte
Raum stromaufwärts
des Gefriertunnels gelegen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind zwei gekühlte
Räume vorgesehen
(die mit einem gemeinsamen mechanischen Kühler ausgerüstet sind oder mit getrennten
voneinander und unterschiedlichen mechanischen Kühler), wobei einer der Kühler stromaufwärts des
Gefriertunnels und der andere stromabwärts des Gefriertunnels angeordnet
ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung eine Pumpe, um den Druck der kryogenen Flüssigkeit
anzuheben, bevor sie in den Wärmetauscher
eintritt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
diese Pumpe fähig,
flüssigen
Stickstoff mit einem Druck von mindestens 10 bar g zu liefern.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden als Beispiel auf die
beiliegenden Zeichnungen verwiesen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische, teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht
einer Ausführungsform
einer Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Graph, der die Ersparnis der Menge flüssigen Stickstoffes für ein gegebenes
Ziel zeigt, die gegenüber
dem Druck aufgetragen ist, mit dem der flüssige Stickstoff gepumpt wird;
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3 ist
eine schematische, teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht
einer zweiten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine schematische, teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht
einer dritten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist
eine teilweise im Querschnitt gezeigte schematische Seitenansicht
einer vierten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine teilweise im Querschnitt dargestellte schematische Seitenansicht
einer fünften
Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ist
eine teilweise im Querschnitt gezeigte schematische Seitenansicht
einer sechsten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 ist
ein Druck-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung
gemäß 1;
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9 ist
eine teilweise im Querschnitt gezeigte schematische Seitenansicht
einer siebten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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10 ist
eine teilweise im Querschnitt gezeigte schematische Seitenansicht
einer achten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer neunten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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12 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer zehnten Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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13 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer elften Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist
ein Vorratsgefäß für eine kryogene
Flüssigkeit
gezeigt, das mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
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Eine
Pumpe 11 übernimmt
flüssigen
Stickstoff bei einer Temperatur von –196°C aus dem Vorratsgefäß 10 und
pumpt ihn auf etwa 14 bar g hoch.
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Der
flüssige
Stickstoff wird dann durch einen Wärmetauscher 12 geleitet,
wo er verdampft und Nahrungsmittel 13 gefriert, die auf
einem Förderer 14 durch
einen Gefriertunnel 15 transportiert werden.
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Der
Stickstoffdampf verlässt
den Wärmetauscher 12 mit
einer Temperatur von etwa –40°C und wird
dann mit Fremdenergie durch einen Fremdenergie-Expander 16 auf atmosphärischen
Druck expandiert. Der kalte Stickstoffdampf, der den Fremdenergie-Expander
verlässt,
wird in den Gefriertunnel 15 in direktem Wärmeaustausch
mit dem Nahrungsmittel 13 eingeführt.
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Der
Stickstoff verlässt
den Gefriertunnel 15 über
eine Ausblasöffnung 17 und
wird an die Atmosphäre
abgegeben. Ein Turbulenzen induzierender Ventilator 18 ist
vorgesehen, um die Wärmeübertragung
zwischen dem Stickstoffdampf in dem Gefriertunnel 15 und
dem Nahrungsmittel 13 in üblicher Weise zu verbessern.
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Berechnungen
zeigen, dass der Gefriertunnel etwa 25 % weniger flüssigen Stickstoff
verbraucht als ein konventioneller Gefriertunnel, bei dem der flüssige Stickstoff
direkt von dem Vorratsgefäß für die kryogene
Flüssigkeit
zugeführt
wird und bei etwa 1 bar g in den Gefriertunnel über konventionelle Düsen eingeführt wird.
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Zusätzlich zu
der oben erwähnten
Ersparnis sollen zwei weitere Ersparnisse angemerkt werden. Insbesondere
kann die an dem Fremdleistungs-Expander 16 zur
Verfügung
stehende Energie wiedergewonnen werden und für einen weiteren Zweck verwendet
werden, um zum Beispiel die großen
Mengen von Wasser aufzuheizen, die notwendig sind, den Gefriertunnel
in regelmäßigen Zeitintervallen
zu reinigen. Zusätzlich
soll vermerkt werden, dass die Pumpe 11 keine übliche Verdampfungsanordnung
erfordert, die zur Abgabe des flüssigen
Stickstoffes verwendet wird. Insbesondere wird bei herkömmlichen Anordnungen
ein kleiner Teil des flüssigen
Stickstoffes aus einem Vorratsgefäß für die kryogene Flüssigkeit
zurückgehalten
und verdampft. Der Dampf, typischerweise bei einem Druck bis zu
3,5 bar a (2,5 bar g) wird dann in den oberen Bereich des Vorratsgefäßes für die kryogene
Flüssigkeit
eingeführt,
wo er das Vorratsgefäß 10 für die kryogene
Flüssigkeit
mit einem Vordruck beaufschlagt. Die Verwendung der Pumpe 11 macht
auch die Verwendung eines Verdampfers überflüssig und liefert somit eine
signifikante zusätzliche
Ersparnis von flüssigem
Stickstoff.
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Der
Druck der Flüssigkeit
aus dem Vorratsgefäß 10 wird
vorzugsweise mit so wenig Enthalpie wie möglich angehoben. Die Verwendung
einer Pumpe, um den flüssigen
Stickstoff auf einen gewünschten
Druck zu pumpen, wird insbesondere empfohlen. Es ist natürlich denkbar,
dass der Druck auch mit Hilfe eines Verdampfers angehoben werden
könnte,
der mit einem herkömmlichen
Vorratsgefäß verbunden ist.
Jedoch würde
die Verwendung einer solchen Anordnung ziemlich sicher in einem
nicht akzeptierbaren Anstieg der Enthalpie resultieren, die signifikant die
ins Auge gefasste Ersparnis reduzieren oder sogar gar nicht eintreten
lassen würde.
Es ist denkbar, dass der Druck auch angehoben werden könnte, indem
der flüssige
Stickstoff in dem Vorratsgefäß mit komprimiertem
Helium unter Druck gesetzt würde. Jedoch
wird dieses als teuer und unpraktisch angesehen.
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Der
Druck, auf den der flüssige
Stickstoff angehoben werden sollte, beeinflusst die Ersparnisse, die
hiermit erreicht werden können.
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Wie
in 2 gezeigt, steigen die Ersparnisse schnell an,
wenn der Druck von 1 bis 10 auf bar g angehoben wird. Jedoch sinkt
die Verbesserungsrate anschließend
schnell ab. Es ist erkennbar, dass eine Ersparnis um 10 % bei einem
Druck von etwa 2,5 bar g und eine Ersparnis von etwa 18 % bei 10
bar g erreicht werden kann. Jedoch sind signifikantere Ersparnisse
oberhalb von 13 bar g erreichbar. Wie aus 2 hervorgeht,
ist die inkrementelle Verbesserung oberhalb von 20 bar g nur sehr
gering, und es wäre wenig
zweckmäßig, oberhalb
dieses Druckes zu arbeiten.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die in 2 dargestellte
Kurve eine Effizienz eines Fremdenergie-Expanders von 88 % berücksichtigt.
Jedoch ergibt sich bei einer Berücksichtigung
von Fremdenergie-Expandern mit höheren
Wirkungsgraden eine ähnliche
Kurve entsprechend der in 2 dargestellten,
und die vernünftigen
Betriebsdrucke liegen in dem gleichen Bereich wie die in 2 gezeigten.
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Es
können
verschiedene Modifikationen zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen
in Betracht gezogen werden, wobei zum Beispiel der indirekte Wärmetauscher
verwendet werden könnte,
um das Nahrungsmittel in einer separaten Kammer stromaufwärts oder
stromabwärts
des Gefriertunnels 15 zu kühlen. Alternativ könnte der
indirekte Wärmetauscher
verwendet werden, um Nahrungsmittel in einer separaten Bearbeitungsstraße für unterschiedliche
Nahrungsmittel in einem Betrieb mit mehreren Bearbeitungsstraßen für Nahrungsmittel
zu kühlen oder
in einem entsprechend zugeordneten Betrieb.
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Bei
der alternativen Ausführungsform
gemäß 3 sind
Teile, die ähnliche
Funktionen wie Teile in 1 aufweisen, mit den gleichen
Bezugszeichen versehen, denen jedoch der Wert „100" hinzugefügt wird. Es ist offensichtlich,
dass der Hauptunterschied darin liegt, dass die Zentrifugalpumpe 11 durch
eine hin- und hergehende Pumpe 111 ersetzt wurde, und dass
der expandierte Stickstoffdampf durch einen indirekten Wärmetauscher 118 in
den Gefriertunnel 115 geleitet wird, bevor er an die Atmosphäre abgegeben
wird. Diese Anordnung gewährleistet,
dass kein Stickstoffdampf in den Arbeits- beziehungsweise Betriebsraum
eintritt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 4 ist
generell ähnlich
zu der in 3 gezeigten, wobei Teile, die ähnliche
oder gleiche Funktionen aufweisen, durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet
sind, die um „200" erhöht sind.
Die einzige signifikante Differenz liegt darin, dass der Fremdenergie-Expander 216 einen
Wechselstromgenerator 219 antreibt, der mit einem elektrischen
Heizelement 220 verbunden ist, welches dazu verwendet wird,
Wasser 221 für
die übliche
Reinigung der Vorrichtung aufzuheizen. Wenn es gewünscht wird,
kann der Wechselstromgenerator 219 auch einfach ersetzt
werden durch eine übliche Energie
absorbierende Vorrichtung, zum Beispiel eine Reibungsbremsen-Anordnung, die dazu
eingerichtet ist, das Wasser 221 direkt aufzuheizen. Wenn gewünscht, könnte der
Fremdenergie-Expander 216 dazu verwendet werden, einen
Kompressor anzutreiben, der dazu verwendet werden könnte, ein
Gas, so zum Beispiel Luft, zu komprimieren und dadurch aufzuheizen,
welches dann dazu verwendet werden könnte, das Wasser 221 aufzuheizen.
Eine direkt damit verbundene Einrichtung, die als „Compander" (kombinierter Kompressor
und Fremdenergie-Expander) bekannt ist, könnte für diesen Zweck vorteilhaft eingesetzt
werden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß der 5 wird
die Energie aus dem Fremdenergie-Expander 316 dazu verwendet,
um einen Turbulenzen induzierenden Ventilator 317 anzutreiben.
Wenn es gewünscht
ist, könnte
lediglich ein Teil der zur Verfügung
stehenden Energie dazu verwendet werden, den Turbulenzen induzierenden
Ventilator 317 anzutreiben. Es ist auch vorteilhaft, einen
Teil der von dem Turbulenzen induzierenden Ventilator 317 verbrauchten
Energie in das Innere des Gefriertunnels zurückzuführen. Jedoch könnte die
gleiche Energiemenge auf einen Turbulenzen induzierenden Ventilator ähnlich dem
Ventilator 117 übertragen
werden, der mit einem Motor angetrieben wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 wird
der warme Stickstoffdampf, der den Wärmetauscher 412 verlässt, in
zwei Stufen über
einen Fremdenergie-Expander 416a und einen Fremdenergie-Expander 416b expandiert.
Bisher war es noch nicht bekannt, dass die Verwendung von zwei Fremdenergie-Expandern, die in
Serie miteinander verbunden sind, notwendig ist, obwohl dieses in
Betracht hätte gezogen
werden können,
wenn die Pumpe 411 den flüssigen Stickstoff auf einen
relativ hohen Druck pumpt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel,
das in 7 dargestellt ist, wird der flüssige Stickstoff aus der Pumpe 511 über einen üblichen
Kopfteil zu acht separaten Wärmetauschern 512 geleitet,
die miteinander parallel verbunden sind. Der warme Dampf bei –40°C, der jeden
Wärmetauscher 512 verlässt, wird durch
einen jeweiligen Fremdenergie-Expander 516 expandiert,
der jeweils mit einem entsprechenden Turbulenzen induzierenden Ventilator 517 verbunden ist.
Der kalte Dampf, der jeden Turbulenzen induzierenden Ventilator 517 verlässt, wird
direkt in den Gefriertunnel in unmittelbarer Nachbarschaft eines
Turbulenzen induzierenden Ventilators eingebracht.
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Die 8 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm zwischen Druck und Enthalpie, welches
in Verbindung mit der Vorrichtung gemäß 1 gültig ist.
Wie zu ersehen, erhöht
die Pumpe 11 den Druck des flüssigen Stickstoffes im Wesentlichen
isentropisch von dem Punkt A bis zu dem Punkt B. Der flüssige Stickstoff
wird dann verdampft und aufgewärmt
und tritt am Punkt C in den Fremdenergie-Expander 116 ein. Die
Expansion mit Fremdenergie verläuft
längs der Linie
CD. Eine weitere Kühlung
kann zwischen dem Punkt D bis zu dem Punkt E erreicht werden. Im
Gegensatz hierzu verläuft
bei einem herkömmlichen Gefriergerät mit flüssigem Stickstoff
die Betriebslinie direkt von dem Punkt A zu dem Punkt E.
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Aus
der obigen Diskussion geht es klar hervor, dass die Fremdenergie-Expansion mit Hilfe
einer drehenden oder einer hin und her geführten Vorrichtung ausgeführt werden
kann, und dass der Nutzen (wenn überhaupt)
der Expansion über
ein Joule Thompson (J-T)-Ventil vernachlässigbar ist.
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Während die
vorliegende Erfindung insbesondere ausgerichtet ist auf die Verwendung
von flüssigem
Stickstoff, so ist sie durchaus auch anwendbar für flüssige Luft. Interessanterweise
sind die damit erzielbaren Ersparnisse nur marginal geringer als
die mit flüssigem
Stickstoff erzielbaren, obwohl die bevorzugten Druckbereiche im
Wesentlichen gleich sind. Auch können
Gefrierprozesse mit flüssigem
Sauerstoff, flüssigem
Argon, flüssigem
Methan und flüssigem
Kohlenmonoxid ebenfalls gemäß der vorliegenden
Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Jedoch erscheint die Verwendung
von flüssigem Kohlendioxid
nur geringfügig
oder überhaupt
nicht vorteilhaft für
das Gefrieren von Nahrungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl im Stapelbetrieb als auch im kontinuierlichen
Betrieb von Gefriervorrichtungen verwendet werden, obwohl das Verfahren
insbesondere als vorteilhaft für
kontinuierliche Gefriervorrichtungen angesehen wird, insbesondere
für solche,
die zum Gefrieren von Nahrungsmitteln verwendet werden.
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Das
Ausführungsbeispiel,
das in 9 dargestellt ist, ist generell ähnlich zu
dem in 4 gezeigten, wobei Teile, die ähnliche Funktionen haben, durch ähnliche
Bezugszeichen identifiziert werden, die im „600"-Bereich angesiedelt sind. Der signifikante
Unterschied liegt darin, dass der Wechselstromgenerator 619 mit
einer Leistungssteuereinrichtung 622 verbunden ist, die
mit dem Motor 623 einer mechanischen Gefriereinheit verbunden
ist, die generell mit dem Bezugszeichen 624 gekennzeichnet
ist.
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Die
mechanische Gefriereinheit 624 weist einen Kompressor 625,
einen Wärmetauscher 626,
ein Expansionsventil 627 und eine Kühlschlage 628 in einem
gekühlten
Raum 629 auf.
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Während des
Betriebes wird Leistung, die durch den Wechselstromgenerator 619 erzeugt
wurde, zu dem Motor 623 über die Leistungssteuereinheit 622 geleitet.
Der Motor 623 treibt den Kompressor 625 an, der
ein geeignetes Kühlmittel
komprimiert, zum Beispiel Ammoniak, R22, R134A oder Methan. Das
warme Kühlmittel,
das den Kompressor 625 verlässt, wird mit Hilfe eines Wärmeaustausches mit
Wasser in einem Wärmetauscher 626 gekühlt. Das
gekühlte
Kühlmittel
wird dann über
das Ventil 627 expandiert. Das kalte Kühlmittel wird dann durch die
Kühlschlage 628 in
dem gekühlten
Raum 629 geleitet. Das Kühlmittel verlässt dann
den gekühlten Raum
und wird zu dem Einlass des Kompressors 625 zurückgeleitet.
Da die Leistung an dem Wechselstromgenerator 619 variieren
kann, wird die Leistungssteuereinheit 622 mit dem Netz 630 verbunden und
so ausgelegt, um etwaige Leistung, die nicht von dem Wechselstromgenerator 619 geliefert
wird, durch das Netz 630 auszugleichen.
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Das
Ausführungsbeispiel,
das in 10 dargestellt ist, ist ähnlich dem
in 9 dargestellten, wobei Teile mit einer ähnlichen
Funktion wiederum durch gleiche Bezugszeichen im „700"-Bereich gekennzeichnet
werden. Der Hauptunterschied liegt darin, dass der Wärmetauscher 726 um
einen Wärmetauscher 731 ergänzt wird,
der ausgelegt ist, expandierten Stickstoffdampf zu empfangen, der
den Wärmetauscher 718 verlässt, und
zwar typischerweise bei etwa –40°C.
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Während des
Betriebes wird das gekühlte Kühlmittel,
das den Wärmetauscher 726 verlässt, entweder
weiter gekühlt
und/oder teilweise in dem Wärmetauscher 731 kondensiert,
wodurch eine weitere Kühlung
des gekühlten
Raumes 729 erfolgt. Es kann in Betracht gezogen werden,
den Wärmetauscher 726 bei
einigen Ausführungsbeispielen
fortzulassen.
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Wenn
gewünscht,
könnten
die Fremdenergie-Expander 616; 716 direkt mechanisch
mit den Kompressoren 625; 725 gekoppelt werden,
wobei vorgesehen sein kann, die Kompressoren 625; 725 durch
das Netz 630; 730 zu betreiben, falls dieses und
wenn dieses notwendig ist.
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Der
gekühlte
Raum 629; 729 kann separat und unterschiedlich
sein von dem Gefriertunnel 615; 715. Jedoch ist
eine bevorzugte Anordnung jeweils unmittelbar stromaufwärts oder
unmittelbar stromabwärts
hiervon entsprechend dem zu gefrierenden Nahrungsmittel. Es ist
tatsächlich
in Betracht zu ziehen, einige Gefriertunnel mit jeweils einem gekühlten Raum
an beiden Enden vorzusehen, die individuell oder gemeinsam gekühlt werden.
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11 zeigt
schematisch einen Gefriertunnel 815, der mit einem gekühlten Raum 829 stromabwärts versehen
ist. Diese Anordnung ist insbesondere geeignet, wenn es gewünscht ist,
so schnell wie möglich
eine gefrorene Kruste zu erreichen und danach anschließend das
Produkt in den gekühlten Raum
durch und durch zu gefrieren. Ein Turbulenzen induzierender Ventilator
ist in dem gekühlten
Raum 829 vorgesehen, um den Wärmeübergang auf das zu gefrierende
Produkt zu verbessern.
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Die 12 zeigt
schematisch einen Gefriertunnel 915, der mit einem gekühlten Raum 929 stromaufwärts verbunden
ist. Diese Anordnung ist insbesondere geeignet, wenn eine relativ
langsame und relativ billige initiale Kühlung des Produktes bis knapp
oberhalb des Gefrierpunktes gewünscht
ist und dieses keine signifikante Verschlechterung der Qualität des gefrorenen
Produktes nach sich zieht.
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Die 13 zeigt
schematisch einen Gefriertunnel 1035 mit zwei gekühlten Räumen 1029a und 1029b , die stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts des
Gefriertunnels 1035 gelegen sind. Diese Anordnung ist insbesondere
geeignet, wenn ein relativ langsamer Abkühlprozess bis gerade oberhalb des
Gefrierpunktes, gefolgt durch ein schnelles Einfrieren mit einer
Kruste und einer Gleichgewichtsperiode akzeptabel ist.
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Um
einen hohen Standard hinsichtlich der Hygiene zu erhalten, werden
die Gefriertunnel in häufigen
Zeitintervallen angehalten und mit Dampf gereinigt, so zum Beispiel
alle 24 Stunden für
eine Gefriervorrichtung für
Nahrungsmittel oder alle 6 oder 7 Stunden, wenn kleine Mengen von
Feinschmeckerprodukten eingefroren werden. Bevor der Gefriertunnel
wieder verwendet werden kann, muss er erneut heruntergekühlt werden.
Dies erfolgt üblicherweise dadurch,
dass flüssiger
Stickstoff in den Gefriertunnel eingeführt wird, bis die gewünschte Temperatur
erreicht wird. Obwohl die Verwendung von flüssigem Stickstoff für dieses
initiale Herunterkühlen
sehr schnell ist, ist es auch sehr teuer. Signifikante Kostenersparnisse
können
erreicht werden, indem externe elektrische Leistung aufgebracht
wird, um mechanisch die gekühlten
Räume zu
kühlen
und kalte Luft hieraus über
den Gefriertunnel abzuziehen, um zumindest einen Teil des initialen
Herunterkühlens
zu erreichen.
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Wie
oben angedeutet, kann auch flüssige Luft
als kryogene Flüssigkeit
verwendet werden und kann, wenn sie so verwendet wird, auf die Drücke hochgepumpt
werden, die für
flüssigen
Stickstoff angegeben worden sind.