PL189355B1

PL189355B1 - Urządzenie do zamrażania produktów

Info

Publication number: PL189355B1
Application number: PL98325948A
Authority: PL
Inventors: Michael Bruce Pooley; David Grant Wardle; Carl Nigel Strotton
Original assignee: Boc Group Plc
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2005-07-29
Also published as: PL325948A1; EP0874204B1; AU747612B2; AU6353998A; DE69824232T2; DE69824232D1; US6038868A; CA2234020A1; EP0874204A2; EP0874204A3; GB9708496D0; ZA982972B

Abstract

1 Urzadzenie do zamrazania produktów zywno- sciowych, zawierajace izolowana obudowe, srodki utrzy- mujace wnetrze obudowy w temperaturze mzszej mz otoczenie zawierajace srodki do powodowania obiegu powietrza wewnatrz obudowy 1 jego zetkniecie z produk- tami przenoszonymi przez obudowe, oraz wymiennik ciepla odbierajacy cieplo z powietrza krazacego wewnatrz obudowy 1 srodki do przenoszenia produktów przez obu- dowe poprzez jej wlot 1 wylot, zmniejszajace temperature produktu, oslone wyznaczajaca strefe rozpylania cieczy kriogenicznej znajdujaca sie przy wlocie obudowy, przy czym ma system umieszczony wewnatrz oslony do rozpy- lania na produkty nie szkodliwej dla ukladu oddechowego cieczy kriogenicznej, przy ich przenoszeniu poprzez strefe rozpylania 1 do obudowy 1 srodki kierujace przynajmniej czesc cieczy kriogenicznej odparowanej po zetknieciu z produktami, do wprowadzenia, jej do obudowy, zn a mienne tym, ze zawiera czujnik (52) wyznaczajacy tempe- rature krazacego powietrza stykajacego sie z wymienni- kiem ciepla (10) i sterownik (48) sterujacy w zaleznosci od wyznaczonej temperatury' wentylatorem (26) kieruja- cym zmiana ilosci odparowanej cieczy kriogenicznej wprowadzanej do obudowy (2) Fig 3 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zamrażania produktów, w szczególności ale nie wyłącznie produktów żywnościowych.

Zwykłe zamrażarki do zamrażania dużych ilości oddzielnych produktów, jak produkty żywnościowe, na ogół posiadają przenośnik do przenoszenia oddzielnych produktów do obszaru zamrażania, gdzie produkty pozostają przez ustalony okres czasu, wystarczający do ich zamrożenia do ustalonego stopnia, a następnie produkty usuwa się przenośnikiem z zamrażarki. W takich ciągłych systemach zamrażających poszczególne produkty zwykle przenosi się do i z izolowanego pojemnika, który utrzymuje się w niskiej temperaturze, przy czym poszczególne produkty zamraża się przez ich zetknięcie z powietrzem o niskiej temperaturze wewnątrz obudowy. Aby utrzymać wymagany okres przebywania (czyli czas, w którym każdy produkt pozostaje w niskiej temperaturze) przy jak największej przepustowości dla produktów i jak najmniejszej przestrzeni zajmowanej przez system, takie zamrażarki zwykle posiadają przenośniki spiralne albo ślimakowe jak ujawnione w opisie patentowym US 3315492.

Problemem w takich znanych zamrażarkach mechanicznych jest to, że są one zaprojektowane do zamrażania przy maksymalnej przepustowości dla produktów i działają najbardziej efektywnie przy tej maksymalnej przepustowości, ale są nieefektywne przy każdej innej przepustowości. Tak, więc takie zamrażarki mechaniczne nie są elastyczne, ponieważ

189 355 nie umożliwiają zmian w temperaturze otoczenia ani zmian w przepustowości dla produktów. Ponadto wszystkie takie mechaniczne zamrażarki stają się mniej efektywne w czasie, co powoduje, że maksymalna przepustowość dla produktów przy optymalnym działaniu zamrażarki zmniejsza się stopniowo z czasem.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest przynajmniej złagodzenie, a w miarę możliwości usunięcie wymienionych wyżej problemów.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zamrażania produktów żywnościowych, zawierające izolowaną obudowę, środki utrzymujące wnętrze obudowy w temperaturze niższej niż otoczenie zawierające środki do powodowania obiegu powietrza wewnątrz obudowy i jego zetknięcie z produktami przenoszonymi przez obudowę, oraz wymiennik ciepła odbierający ciepło z powietrza krążącego wewnątrz obudowy i środki do przenoszenia produktów przez obudowę poprzez jej wlot i wylot, zmniejszające temperaturę produktu, osłonę wyznaczającą strefę rozpylania cieczy kriogenicznej znajdującą się przy wlocie obudowy, przy czym ma system umieszczony wewnątrz osłony do rozpylania na produkty nie szkodliwej dla układu oddechowego cieczy kriogenicznej, przy ich przenoszeniu poprzez strefę rozpylania i do obudowy i środki kierujące przynajmniej część cieczy kriogenicznej odparowanej po zetknięciu z produktami, do wprowadzenia jej do obudowy, charakteryzujące się tym, że zawiera czujnik wyznaczający temperaturę krążącego powietrza stykającego się z wymiennikiem ciepła i sterownik sterujący w zależności od wyznaczonej temperatury wentylatorem kierującym zmianą ilości odparowanej cieczy kriogenicznej wprowadzanej do obudowy.

Wentylator jest usytuowany w pobliżu wylotu obudowy dla wprowadzenia przynajmniej częściowo odparowanej cieczy kriogenicznej.

Wentylator jest wentylatorem o zmiennej szybkości umieszczonym w kanale znajdującym się wewnątrz obudowy.

Urządzenie zawiera ponadto system rozpylający do wprowadzania nie szkodliwej dla układu oddechowego bezpośrednio do obudowy cieczy kriogenicznej.

System rozpylający jest umieszczony w pobliżu obszaru wylotu obudowy dla wprowadzenia cieczy kriogenicznej do tego obszaru.

Urządzenie przy wlocie obudowy zawiera zawór sterujący zmieniający ilość cieczy kriogenicznej rozpylanej na produkty.

Rozpylanie cieczy kriogenicznej bezpośrednio na produkt powoduje, że ciecz paruje i „zamraża powłokowo” powierzchnię produktu. Parowanie cieczy kriogenicznej na powierzchni produktu usuwa utajoną energię cieplną cieczy kriogenicznej z produktu, zwiększając możliwości chłodzenia przez zamrażarkę. Zamrażanie powłokowe pomaga w zachowywaniu wilgotności produktu, zmniejszając straty dehydratacji związane z zamrażaniem mechanicznym uzyskiwane przez zwykłe zamrażarki o wielkość do 3% wagi produktu. Ciecz kriogeniczna, którą można oddychać, jest korzystnie mieszaniną ciekłego tlenu i ciekłego azotu ze stężeniem tlenu podobnym do stężenia w powietrzu, ponieważ umożliwia to operatorowi wchodzenie do zamrażarki bez użycia aparatu tlenowego albo innego wyposażenia zabezpieczającego.

Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat urządzenia według wynalazku, fig. 2 - powiększony schemat części urządzenia z fig. 1, a fig. 3 - schemat układu kontrolnego do sterowania urządzeniem z fig. 1.

W urządzeniu pokazanym na fig. 1 produkty są przenoszone do izolowanej obudowy zamrażarki 2 poprzez wlot 4 i są przenoszone (jak pokazują ciągłe strzałki) po trasie spiralnej 6, albo w kształcie stosu, co jest znane ze stanu techniki, przed ich usunięciem w stanie zamrożonym z obudowy 2 poprzez wylot 8.

Stosuje się wymiennik ciepła albo parownik 10, aby utrzymać temperaturę w obudowie 2 znacznie niższą niż temperatura otoczenia na zewnątrz obudowy 2. Zastosowany jest wentylator 12 do powodowania obiegu powietrza wewnątrz obudowy 2 i poprzez wymiennik ciepła 10 (przepływ gazów wewnątrz obudowy 2 jest pokazany podwójnymi strzałkami na fig. 1). Wentylator 12 powoduje obieg zimnego powietrza z wymiennika ciepła 10 na górę stosu 6, tak aby wydostawało się na jego dole z powrotem poprzez wymiennik ciepła 10.

Według wynalazku stosuje się osłonę 14 (patrz fig. 2) przy wlocie 4 obudowy 2. Ta osłona, która zwykłe ma długość około 2,5 metra, szerokość 0,75 metra i wysokość 1,5 metra,

189 355 biegnie po każdej stronie ściany izolowanej obudowy 2 i jest izolowana na części biegnącej na zewnątrz obudowy 2. Poprzez osłonę 14 przechodzi pas przenośnika 14, który może podawać produkty na część przenośnika (niepokazanego) albo stanowić tę część, do przenoszenia produktów wzdłuż spiralnego stosu 6. Pas 16 jest podtrzymywany w osłonie 14 przez prowadnice 18 z policzworofluoroetylenu. System 20 do rozpylania cieczy kriogenicznej jest umieszczony wewnątrz osłony 14 i rozpyla ciecz kriogeniczną, którą można oddychać, ze źródła S na produkty przenoszone wzdłuż pasa 14 i poprzez osłonę 14 do strefy rozpylania 22.

Ciecz kriogeniczna, którą można oddychać, jest korzystnie mieszaniną ciekłego tlenu i ciekłego azotu o bezwzględnym stężeniu tlenu zbliżonym do stężenia w powietrzu, czyli około 21%. Stosowanie takiej cieczy kriogenicznej, którą można oddychać, jest korzystne, ponieważ nie powoduje niebezpieczeństwa związanego z innymi cieczami kriogenicznymi, takimi jak na przykład azot albo dwutlenek węgla. Stosowanie cieczy kriogenicznej, którą można oddychać, oznacza, że można wykonywać obsługę konserwacyjną, gdy wyposażenie cały czas pracuje. W pewnych przypadkach może być korzystne mniejsze stężenie tlenu w cieczy kriogenicznej, aby zmniejszyć ryzyko pożaru, najmniejsze stężenie tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, którą można oddychać, wynosi około 14%o. Stężenie tlenu pomiędzy około 15% i około 18% stanowi odpowiedni kompromis pomiędzy możliwością oddychania i zmniejszeniem ryzyka pożaru, co zezwala na błędy przy mieszaniu albo wzbogacaniu mieszaniny, mogące powstawać podczas przechowywania. Ponieważ jest możliwe otrzymanie mieszaniny ciekłego tlenu i ciekłego azotu zawierającej bardzo mało pary wodnej, stosowanie takiej mieszaniny zapobiega powstawaniu lodu w urządzeniu.

Rozpylanie cieczy kriogenicznej na produkt „zamraża powłokowo” produkty, zwiększając przekazywanie ciepła dla produktów i znacznie zwiększając możliwości zamrażania. Zamrażanie powłokowe zachowuje również wilgoć w produkcie, zmniejszając straty dehydratacji związane ze zwykłym zamrażaniem mechanicznym do wielkości około 3% wagi produktu.

Gdy ciecz kriogeniczną rozpyla się na produkty przenoszone wzdłuż pasa 14, część cieczy kriogenicznej odparowuje. Odparowana ciecz kriogeniczna jest usuwana ze strefy rozpylania poprzez kanał 24 z nierdzewnej stali za pomocą wentylatora 26 o zmiennej szybkości, który zostanie dokładnie opisany poniżej. Odparowana ciecz kriogeniczna przepływająca kanałem 24 wychodzi z kanału 24 i miesza się ze strumieniem powietrza krążącego w obudowie 2 (wskutek pracy wentylatora 12) w obszarze 28, na górze stosu 6 i obok wylotu 8 obudowy 2. Ta odparowana ciecz kriogeniczna znacznie zmniejsza temperaturę powietrza krążącego w obszarze 28 i zwiększa możliwości zamrażające dostarczone przez wymiennik ciepła 10.

Aby zmniejszyć czas uruchomienia zamrażarki, stosuje się drugi system 30 rozpylania cieczy kriogenicznej, do którego dostarcza się ciecz kriogeniczną ze źródła S (może to być to samo źródło, co źródło cieczy kriogenicznej, którą można oddychać, dostarczanej do strefy rozpylania 22) i umieszcza go w taki sposób, aby wprowadzać ciecz kriogeniczną bezpośrednio do obudowy 2 w kierunku jej góry i powyżej górnej części stosu 6. Ciecz kriogeniczna wprowadzana przez system rozpylania 30 (który może wprowadzać ciecz kriogeniczną w postaci płynu, albo który bardziej korzystnie zawiera parownik (nie pokazany), aby wprowadzać odparowaną ciecz kriogeniczną do obudowy 2) miesza się z powietrzem krążącym wewnątrz obudowy 2 i szybko obniża temperaturę wewnątrz obudowy 2. Ten drugi system rozpylania 30 można stosować również do przyspieszania działania zamrażarki, gdy zostanie ona obciążona znacznie bardziej niż zwykle (na przykład, gdy temperatura otoczenia na zewnątrz obudowy 2 jest znacznie wyższa niż zwykle i/lub gdy przepustowość dla produktów jest znacznie większa niż zwykle).

W odniesieniu do fig. 3 pokazany jest schematycznie system kontrolny dla urządzenia z fig. 1 i 2, aby przedstawić sposób działania według niniejszego wynalazku. Szybkość dostarczania cieczy kriogenicznej ze źródła S do systemów rozpylających 20, 30 jest sterowana przez zawory o zmiennym sterowaniu, odpowiednio 40, 42. Zawory 40, 42, z których każdy jest uruchamiany sterownikiem proporcjonalne całkująco - różniczkującym (PID) (niepokazanym), są połączone przewodami, odpowiednio 44, 46 ze sterownikiem 48, programowanym układem logicznym zawierającym przykładowy pulpit sterowania i tym podobnym. Sterownik 48 jest połączony również przewodem 50 z czujnikiem temperatury 52 przy wlocie wymiennika ciepła 10 i przewodem 54 ze środkami odprowadzającymi 56 do odprowadzania

189 355 powietrza z dolnej części stosu 6 przez ujście 58. Sterownik 48 jest połączony również przewodem 60 (i poprzez sterownik szybkości wentylatora, który nie został pokazany) z wentylatorem 26 o zmiennej szybkości.

Działanie zamrażarki jest następujące. Przy uruchomieniu zamrażarki ciecz kriogeniczną wprowadza się do obudowy 2 poprzez oba systemy rozpylania 20, 30, według parametrów wprowadzonych na wstępie na pulpicie sterowniczym 48. Początkowo szybkość przepływu przez oba zawory o zmiennym sterowaniu 40, 42 będzie maksymalna. Gdy temperatura przy wlocie wymiennika ciepła 10 zmierzona przez czujnik 52 zmniejszy się do żądanej temperatury roboczej zamrażarki, zawory o zmiennym sterowaniu 40, 42 zostaną uruchomione przez pulpit sterowniczy 48 i sterowniki PID, aby zmniejszyć szybkość przepływu aż do uzyskania żądanej temperatury. Gdy w obudowie 2 zostanie uzyskana żądana temperatura, oba zawory 40, 42 się zamkną. Gdy produkty zostaną wprowadzone do obudowy 2 w celu zamrożenia, zawór sterujący 40 umożliwi wystarczający przepływ cieczy kriogenicznej przez system rozpylania 2-, aby spowodować powłokowe zamrażanie produktów. Gdy stos 6 zostanie wypełniony produktami, wymiennik ciepła 10 będzie stopniowo osiągał maksymalną zdolność roboczą. Będzie to widoczne na odczytach z czujnika temperatury 52. W tym momencie sterownik 48 uruchamia wentylator o zmiennej szybkości 26, aby usunąć odparowaną ciecz kriogeniczną ze strefy odparowania 22, powodując jej obieg w stosie 6. W tym samym czasie, i w szczególności jeżeli na stos 6 zostanie załadowanych więcej produktów albo jeżeli szybkość ruchu produktów poprzez 6 zostanie zwiększona, zawór sterujący 40 może się otworzyć, umożliwiając rozpylenie większej ilości cieczy kriogenicznej przez system 20.

W przypadku nagłego wzrostu temperatury mierzonej przez czujnik 52 podczas zwykłego działania, sterownik 48 może uruchomić zawór 42, aby wprowadzić ciecz kriogeniczną bezpośrednio do obudowy 2. Dodatkowo albo alternatywnie sterownik 48 może uruchomić środki pompujące 56, aby odciągnąć względnie ciepłe powietrze z dolnej części stosu 6 poprzez ujście 58 i odprowadzić je do otoczenia.

Jak będzie oczywiste dla znawcy, urządzenie według wynalazku można zrealizować albo przy budowaniu nowych systemów zamrażających albo jako rozbudowę istniejącej zamrażarki mechanicznej. W poniższym przykładzie przeprowadzono próby na mechanicznej zamrażarce spiralnej zamrażającej filety rybne do temperatury mniejszej niż -20°C.

Przykład

Zainstalowano osłonę z nierdzewnej stali o długości około 2,5 metra, szerokości około 0,75 metra i wysokości około 1,5 metra przy wejściu mechanicznej zamrażarki spiralnej (jak pokazano schematycznie na fig. 1, 2, 3 i opisano powyżej). Wewnątrz zamrażarki zainstalowano kanał z nierdzewnej stali, aby odprowadzać powstający gaz kriogeniczny ze strefy rozpylania do górnej części zamrażarki. W kanale znajdował się wentylator o zmiennej szybkości i średnicy 350 mm do wprowadzania cieczy kriogenicznej do zamrażarki. Ciecz kriogeniczną wprowadzano do strefy rozpylania poprzez system rozpylania zainstalowany nad ciągłym przenośnikiem pasowym i podczas pracy wyregulowano szybkość wentylatora, aby odprowadzać powstający kriogen ze strefy rozpylania do górnej części zamrażarki bez zasysania ciepłego powietrza poprzez strefę rozpylania. Ciecz kriogeniczna, zawierająca nominalnie 21% tlenu i resztę azotu, była rozpylana na filety rybne przenoszone do zamrażarki. Zamrażarka miała podstawową szybkość roboczą (czyli maksymalną przepustowość dla produktów bez rozpylania cieczy kriogenicznej) wynoszącą około 380 kg na godzinę. Następnie przeprowadzono cztery testy ze zwiększoną szybkością przenoszenia produktów i rozpylano ciecz kriogeniczną na produkty, aby uzyskać produkty zamrożone do tego samego stopnia. Tabela 1 pokazuje teoretyczną szybkość przepływu cieczy kriogenicznej uzyskaną w teście. Tabela pokazuje również rzeczywistą, szybkość przenoszenia produktów i procentowy wzrost wydajności zamrażarki.

189 355

Tabela 1

	Szybkość przenoszenia produktów (kg/godz.)	Obliczona szybkość przepływu cieczy kriogenicznej (kg/godz.)	Rzeczywista szybkość przepływu cieczy kriogenicznej (kg/godz.) ± 75 kg/godz.	Wzrost wydajności (%)
Obciążenie podstawowe	380
	415	205	300	10%
	520	288	300	37%
	640	400	350	68%
	670	457	450	75%

Z powyższych wyników można ustalić, że maksymalny wzrost w szybkości przenoszenia produktów wynosił 75%. Istniała niewielka różnica w temperaturze produktu na wyjściu, tak więc rzeczywisty wzrost w szybkości przenoszenia produktów wynosił mniej niż 75%. Aby zwiększyć szybkość przenoszenia produktów o 75% wymagana była szybkość przepływu cieczy kriogenicznej wynosząca około 450 kg/godz., co dało stosunek cieczy do produktu wynoszący 1,55 przy zwiększeniu dodatkowej wydajności zamrażania.

Ustalono, że przeciętna temperatura powietrza wewnątrz obudowy zamrażarki gdy wentylator (26) o zmiennej szybkości działał przy 20 Hz wynosiła -37°C, a w okresie gdy wentylator był wyłączony przeciętna temperatura powietrza wynosiła w przybliżeniu -35°C. Wskazuje to, że odparowana ciecz kriogeniczna odprowadzona ze strefy rozpylania ochłodziła krążące powietrze o około 2°C.

Podczas tych testów nie było oznak zablokowania się wymiennika ciepła albo parownika podczas żadnej z prób z produktami, a w zamrażarce zebrały się minimalne ilości lodu.

Urządzenie i sposoby według wynalazku mają istotne zalety, mianowicie: zwiększenie przepustowości dla zamrażanych produktów, zmniejszenie czasu uruchomienia zamrażarki, uniknięcie zmian w temperaturze otoczenia, umożliwienie efektywnej pracy zamrażarki przy wzroście w ilości produktu, zmniejszenie strat dehydratacji i mały koszt przy rozbudowie istniejącej zamrażarki mechanicznej. Zasady wynalazku zostały opisane w odniesieniu do zamrażania żywności, ale dla znawcy jest oczywiste, że można go również stosować dla produktów innych niż żywność, które zamraża się w dużych ilościach w procesie ciągłym. Kanał korzystnie jest wykonany z nierdzewnej stali, ze względu na jej zalety termiczne i higieniczne przy zastosowaniach dla żywności, w systemach zamrażania nie związanych z żywnością bardziej odpowiednie mogą być inne materiały.

189 355

189 355 ϋ®.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do zamrażania produktów żywnościowych, zawierające izolowaną obudowę, środki utrzymujące wnętrze obudowy w temperaturze niższej niż otoczenie zawierające środki do powodowania obiegu powietrza wewnątrz obudowy i jego zetknięcie z produktami przenoszonymi przez obudowę, oraz wymiennik ciepła odbierający ciepło z powietrza krążącego wewnątrz obudowy i środki do przenoszenia produktów przez obudowę poprzez jej wlot i wylot, zmniejszające temperaturę produktu, osłonę wyznaczającą strefę rozpylania cieczy kriogenicznej znajdującą się przy wlocie obudowy, przy czym ma system umieszczony wewnątrz osłony do rozpylania na produkty nie szkodliwej dla układu oddechowego cieczy kriogenicznej, przy ich przenoszeniu poprzez strefę rozpylania i do obudowy i środki kierujące przynajmniej część cieczy kriogenicznej odparowanej po zetknięciu z produktami, do wprowadzenia jej do obudowy, znamienne tym, że zawiera czujnik (52) wyznaczający temperaturę krążącego powietrza stykającego się z wymiennikiem ciepła (10) i sterownik (48) sterujący w zalezności od wyznaczonej temperatury wentylatorem (26) kierującym zmianą ilości odparowanej cieczy kriogenicznej wprowadzanej do obudowy (2).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wentylator (26) jest usytuowany w pobliżu wylotu (8) obudowy (2) dla wprowadzenia przynajmniej częściowo odparowanej cieczy kriogenicznej.
3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wentylator (26) jest wentylatorem o zmiennej szybkości umieszczony w kanale (24) znajdującym się wewnątrz obudowy (2).
4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że zawiera ponadto system rozpylający (30) do wprowadzania nie szkodliwej dla układu oddechowego bezpośrednio do obudowy (2) cieczy kriogenicznej.
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że system rozpylający (30) jest umieszczony w pobliżu obszaru wylotu (8) obudowy (2) dla wprowadzenia cieczy kriogenicznej do tego obszaru.
6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienne tym, że przy wlocie (8) obudowy (2) zawiera zawór sterujący (40) zmieniający ilość cieczy kriogenicznej rozpylanej na produkty.