Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zum Gefrieren von Produkten unter Nutzung von

Entspannungskälte

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen von Produkten mit einem Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte und einer Zuführung für Kühlmedium, die mit einem Reservoir für Kühlmedium in Verbindung steht und in die eine Entspannungseinrichtung zwischengeschaltet ist, sowie einem Abgasaustritt aus dem Raum, an dem das erwärmte Kühlmedium austritt. Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abkühlen von Produkten in einer Vorrichtung, bei der die abzukühlenden Produkte in einen Raum eingebracht werden und ein Kühlmedium aus einem Reservoir für Kühlmedium entnommen wird und über eine Zuführung für Kühlmedium dem Raum zugeführt wird, wobei das Kühlmedium auf diesem Weg eine Entspannungseinrichtung passiert, in der es entspannt wird, und das Kühlmedium in dem Raum Wärme von den abzukühlenden Produkten aufnimmt und erwärmt aus dem Raum an einem Abgasaustritt als Abgas abgeführt wird.

Zum Abkühlen von Produkten sind eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren bekannt, wobei hier unter Abkühlen sowohl Kühlen wie auch Gefrieren und Tiefgefrieren verstanden werden soll. Als Stand der Technik kann man beispielsweise Kühltunnel, Spiralfroster, aber auch Frostschränke anführen, bei denen jeweils Produkte durch den Kontakt mit tiefkalten Gasen abgekühlt werden. Häufig werden dazu cryogene Gase im flüssigen und/oder gasförmigen Zustand eingesetzt. Sehr bekannt ist der Einsatz von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Kohlendioxid.

Herkömmlich wird z. B. der flüssige Stickstoff durch einen Wärmetauscher geleitet und durch ein Drosselventil als Entspannungseinrichtung entspannt, um danach in einen Kühltunnel eingeleitet zu werden. Dort nimmt das entspannte Gas Wärme von den abzukühlenden Produkten auf. Das dadurch erwärmte Gas verlässt als Abgas den Kühltunnel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Energieausbeute des Kühlmediums aufweist.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass im Bereich des Abgasaustritts eine Entnahmestelle für zumindest einen Teilstrom des Abgases vorgesehen ist, die mit einer Abgasleitung verbunden ist, welche eine Verbindung zur Eingangsseite eines Verdichters darstellt, dem der (Teil-)Strom des Abgases zugeführt wird, und dessen Austrittsseite über eine Leitung für verdichtetes Gas mit der Zuführung für Kühlmedium verbunden ist, und zwar an einer Injektionsstelle, die stromaufwärts der Entspannungseinrichtung liegt. Weitere Erläuterungen, von denen auch das Verständnis der Vorrichtung profitiert, werden im Folgenden bei der Beschreibung der verfahrensseitigen Lösung der Aufgabe angegeben.

Zweckmäßigerweise ist der Zuführung stromaufwärts der Injektionsstelle ein erster Wärmetauscher zwischengeschaltet, in dem das Kühlmedium Wärme aus dem Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte aufnimmt.

Bevorzugt ist dem Verdichter ein Kühler, insbesondere ein Luftkühler, nachgeschaltet, der den (Teil-)Strom des Abgases abkühlt.

Besonders bevorzugt ist dem Verdichter, und gegebenenfalls auch dem Kühler, ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet, in dem der (Teil-)Strom des Abgases weiter abgekühlt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Verdichter ein Kreislaufverdichter vorgesehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Entspannungseinrichtung eine Turbine vorgesehen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zum Abgreifen der Wellenleistung der Enstpannungseinrichung eine Einrichtung vorgesehen ist, die mit dem Antrieb des Verdichters in Wirkverbindung steht, wodurch der Verdichter angetrieben werden kann und so eine besonders energieeffiziente Ausgestaltung erreicht wird.

Zweckmäßigerweise ist eine Turbine vorgesehen, die für eine adiabatische Entspannung geeignet ausgelegt ist.

Vorteilhafterweise ist eine Transporteinrichtung vorgesehen, durch die die abzukühlenden Produkte durch den Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte transportiert werden. Dies ist z.B. für ein Kühltunnel oder einen Spiralfroster eine bekannte Ausgestaltung. Die Produkte werden in diesem Fall von einer Aufgabeseite zu einer Ausgabeseite der Kühleinrichtung transportiert und dabei während der Bewegung auf die gewünschte tiefe Temperatur gebracht.

Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass über eine

Entnahmestelle im Bereich des Abgasaustritts zumindest ein Teilstrom des Abgases abgezweigt wird und über eine Abgasleitung der Eingangsseite eines Verdichters zugeführt wird, in dem der (Teil-)Strom des Abgases verdichtet wird und dann von der Austrittsseite des Verdichters über eine Leitung für verdichtetets Gas der Zuführung für Kühlmedium an einer Injektionsstelle zugeführt wird, die stromaufwärts der Entspannungseinrichtung liegt und von der aus das verdichtete Abgas der Entspannungseinrichtung zugeführt wird, in dieser adiabatisch entspannt wird und dem Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte zugeführt wird.

Das Kühlmedium, das unter einem ersten höheren Druck (z.B. 3,5 bar) aus dem Reservoir für Kühlmedium entnommen wird, wird der z.B. einer Turbine als Entspannungseinrichtung zugeführt und dort adiabatisch auf Umgebungsdruck entspannt. Die Temperatur des Kühlmediums sinkt dadurch. Der so entstandene kalte Gasstrom wird in den Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte, z.B. dem Inneren eines cryogenen Kühltunnels, zugeführt und dort zur Abkühlung der Produkte genutzt.

Desweiteren wird das erwärmt Gas aus dem Raum an einem Abgasaustritt als Abgas abgeführt, wobei zumindest ein Teilstrom des Abgases von z.B. 1 bar auf z.B. 3,5 bar in dem Verdichter verdichtet wird. Dadurch erwärmt sich das Abgas. Bei der nachfolgenden adiabatischen Entspannung entsteht Kälte, die zusätzlich für die Abkühlung der abzukühlenden Produkte zur Verfügung steht.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindnung wird das Kühlmedium durch einen in der Zuführung stromaufwärts der Injektionsstelle

zwischengeschalteten ersten Wärmetauscher geleitet und nimmt dabei Wärme aus dem Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Abgas, nachdem es den Verdichter passiert hat, einem Kühler zugeführt und dort abgekühlt. Besonders bevorzugt wird hierzu ein Luftkühler eingesetzt.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas nachdem es den Verdichter, und gegebenenfalls den Kühler passiert hat, einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in dem es abgekühlt wird. Dadurch kann ein besonders kalter und unter hohem Druck stehender (Teil-)Strom an der Injektionsstelle vor der Turbine dem Hauptstrom des Kühlmediums zugeführt und in der Turbine expandiert werden, wodurch eine besonders hohe zusätzliche Kälteleistung für den Abkühlprozess zur Verfügung steht.

Gemäße einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird eine Einrichtung zum Abgreifen der Wellenleistung der Entspannungseinrichtung eingesetzt, die zumindest einen Teil der Wellenleistung auf den Antrieb des Verdichters überträgt und damit den Verdichter antreibt. Diese Ausführungsform ist besonders energieeffizient und damit besonders vorteilhaft.

Mit besonderem Vorteil wird das Kühlmedium und/oder das Abgas in der Entspannungseinrichtung adiabatisch entspannt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die abzukühlenden Produkte durch den Raum zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte bewegt. Damit wird ein vorteilhafter Durchsatz von Produkten und eine automatische Beschickung der Vorrichtung ermöglicht.

Bevorzugt wird als Kühlmedium ein cryogenes Gas, insbesondere ein inertes cryogenes Gas eingesetzt. Als Beispiele sind hier flüssiger Stickstoff und/oder flüssiges Kohlendioxid und/oder flüssige Edelgase zu nennen.

Die vorliegende Erfindung ist besonders interessant für sensible abzukühlende Produkte wie beispielsweise Lebensmittel oder Pharmazeutika.

Die Erfindung weist eine ganze Reihe weitere Vorteile auf: Es sind keine teuren und aufwändigen Umbauten an bestehenden Anlagen erforderlich. Die erfindungsgemäßen zusätzlichen Anlagenteile können aufgrund ihrer kompakten Bauweise problemlos in eine bestehende Anlage nach dem Stand der Technik integriert werden. Die zusätzlich erforderlichen Teile können als

Standardkomponenten ausgeführt sein, die kostengünstig und einfach zu beschaffen sind. Speziell die Stickstoff-Luftkühler stehen im Bereich der Automobilindustrie bereits zur Verfügung.

Ein bei den Lösungen nach dem Stand der Technik erforderliches Kaltventil

(Drosselventil für das zugeführte Kühlmedium) ist nach der Erfindung nicht mehr erforderlich. Somit kann auf eine teure und tendenziell störungsanfällige Anlagenkomponente verzichtet werden.

Bestehende Anlagen können mit der Erfindung aufgerüstet und umgebaut werden. Die bereits vorhandenen Anlagenteile können dabei größtenteils wiederverwendet werden.

Durch die Erfindung erhöht sich die Kälteleistung deutlich, beispielsweise für einen mit flüssigem Stickstoff betriebene Kühltunnel um ca. 34%. Durch Erhöhung der verwendeten Drücke könnte dieser Wert noch erhöht werden, allerdings könnten dann weniger Standardkomponenten zum Einsatz kommen, wodurch die Investitionskosten in der Regel ansteigen, was bei einer Optimierungsaufgabe zu berücksichtigen ist.

Gegenüber herkömmlichen Verfahren ist mit der Erfindung eine zusätzliche Energieausbeute möglich.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein H-S-Diagramm eines erfindungsgemäßen Prozesses.

Die Figur 1 zeigt ein Reservoir 1 für Kühlmedium, hier für flüssigen Stickstoff, das über eine Zuführung 2 mit einem ersten Wärmetauscher 3 verbunden ist. Die Zuführung 2

läuft nach dem Wärmetauscher 3 weiter zu einer Entspannungseinrichtung 4, hier einer Turbine 4, und danach in den Raum 5 zur Aufnahme der abzukühlenden Produkte. Das Kühlmedium strömt in diesem Raum über die abzukühlenden Produkte (nicht dargestellt) und nimmt von diesen Wärme auf, wodurch deren Temperatur erniedrigt wird. Das dadurch erwärmte Kühlmedium, das ab hier Abgas genannt wird, verlässt zum Teil an einem Abgasaustritt 6 den Raum 5. Zu einem anderen Teil strömt das Abgas zu einer Entnahmestelle 7, die mit einer Abgasleitung 8 verbunden ist. Die Abgasleitung 8 bringt das Abgas zur Eingansseite eines Verdichters 9, hier einem Kreislaufverdichter 9, in dem das Abgas verdichtete wird. Die Austrittsseite des Verdichters 9 steht über eine Leitung 10 für verdichtetes Gas mit der Zuführung 2 für Kühlmedium in Verbindung. Die Leitung 10 mündet an einer sog. Injektionsstelle 13 in die Zuführung 2. Die Injektionsstelle 13 ist stromaufwärts der Turbine 4 angeordnet. In die Leitung 10 ist nach dem Verdichter 9 (stromabwärts) ein Kühler 11 angeordnet, in diesem Beispiel ein Luftkühler 11 , gefolgt von einem zweiten Wärmetauscher 12.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Vorrichtung gemäß der Figur 1 wie folgt durchgeführt:

Der flüssige Stickstoff wird mit einem Eingangsdruck von z.B. 3,5 bar aus dem Reservoir 1 entnommen und über die Zuführung 2 dem ersten Wärmetauscher 3 zugeführt. Im Wärmetauscher 3 wird der Stickstoff auf ca. 220 K erwärmt und die Kälteleistung für die Abkühlung der Produkte im Raum 5 genutzt. In der nachgeschalteten Turbine 4 wird der Stickstoff von 3,5 bar auf Umgebungsdruck adiabatisch entspannt. Die Ausgangstemperatur sinkt dadurch auf ca. 160 K. Dieser kalte Gasstrom wird dem Raum 5 zugeführt und dort bis zu einer Erwärmung auf

223,15 K zur Produktkühlung genutzt. Dies ist auch die Temperatur, die das erwärmte Gas (Abgas) am Abgasaustritt 6 und an der Entnahmestelle 7 aufweist.

Ein Teilstrom des Abgases wird an der Entnahmestelle 7 mit einer Temperatur von 223,15 K und einem Druck von 1 bar über die Abgasleitung 8 dem Kreislaufverdichter 9 zugeführt und in diesem auf einen Druck von 3,5 bar verdichtet. Der Stickstoff weist nach dieser Verdichtung eine Temmperatur von 360 K auf. Er wird im Anschluß einem Luftkühler 11 zugeführt und dort auf 320 K abgekühlt. Danach wird der Stickstoffstrom einem zweiten Wärmetauscher 12 zugeführt und weiter auf 240 K abgekühlt. Dieser kalte und unter einem Druck von 3,5 bar stehende Teilstrom wird an der Injektionsstelle

13 in die Zuführung 2 eingespeist und dem Hauptstrom des aus dem Reservoir 1 kommenden Stickstoffs zugeführt, und zwar stromaufwärts der Turbine 4, also vor der Turbine 4. Der Stickstoff wird in der Turbine 4 expandiert, wobei die gewünschte Kälte entsteht.

Die an der Turbine 4 bei der Entspannung entstehende Wellenleistung wird direkt zum Antrieb des Kreislaufverdichters 9 eingesetzt.

Die Figur 2 zeigt ein H-S-Diagramm des erfindungsgemäßen Prozesses. Die Enthalpiebilanz des Gesamtprozesses ergibt für den ersten Teilprozess (einfacher Durchgang des Kühlmediums, das am Abgasaustritt 6 den Kühltunnel verlässt):

δh1 : -95 ... 225 kJ/K = 320 kJ/kg δh2: 160 ... 225 kJ/K = 65 kJ/kg

Für den zweiten Teilprozess (Anteil des an der Entnahmestelle 7 abgezweigten Teilstroms des Kühlmediums) ergibt sich:

0,65 des Gesamtstroms bezogen auf δh = 65 kJ/Kg * 0,65 = 42,25 kJ/kg

In der Summe ergibt sich somit ein δh(gesamt) = 427,25 kJ/kg für dieses Beispiel. Eine herkömmliche Anlage weist demgegenüber lediglich ein δh(gesamt) = 320 kJ/kg auf.

Die in der Figur 2 eingezeichneten Punkte 1,2 und 3 umreißen dabei den ersten Teilprozess und die römischen Ziffern kennzeichnen den zweiten Teilprozess.